Líneas de transmisión

Electricidad estática. Energía electrica. Voltios. Geotermia. Energía renovables: solar, eólica. Turbina. Ciclo combinado. Electromagnetismo. Alterna. Líneas aéreas. Conductores. Sobretensión. Ondas errantes

  • Enviado por: Arturo
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LINEAS DE TRANSMISION

ELECTRICIDAD

La energía eléctrica se ha convertido en parte de nuestra vida diaria. Sin ella, difícilmente podríamos imaginarnos los niveles de progreso que el mundo ha alcanzado, pero ¿qué es la electricidad, cómo se produce y cómo llega a nuestros hogares?

Ya vimos que la energía puede ser conducida de un lugar o de un objeto a otro (conducción). Eso mismo ocurre con la electricidad. Es válido hablar de la "corriente eléctrica", pues a través de un elemento conductor, la energía fluye y llega a nuestras lámparas, televisores, refrigeradores y demás equipos domésticos que la consumen.

También conviene tener presente que la energía eléctrica que utilizamos está sujeta a distintos procesos de generación, transformación, transmisión y distribución, ya que no es lo mismo generar electricidad mediante combustibles fósiles que con energía solar o nuclear. Tampoco es lo mismo transmitir la electricidad generada por pequeños sistemas eólicos y/o fotovoltaicos que la producida en las grandes hidroeléctricas, que debe ser llevada a cientos de kilómetros de distancia y a muy altos voltajes.

Pero ¿qué es la electricidad? Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas, una de las cuales es el electrón. Un modelo muy utilizado para ilustrar la conformación del átomo (ver figura) lo representa con los electrones girando en torno al núcleo del átomo, como lo hace la Luna alrededor de la Tierra.

El núcleo del átomo está integrado por neutrones y protones. Los electrones tienen una carga negativa, los protones una carga positiva y los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros: carecen de carga positiva o negativa. (Por cierto, el átomo, según los antiguos filósofos griegos, era la parte más pequeña en que se podía dividir o fraccionar la materia; ahora sabemos que existen partículas subatómicas y la ciencia ha descubierto que también hay partículas de "antimateria": positrón, antiprotón, etc., que al unirse a las primeras se aniquilan recíprocamente).

Pues bien, algunos tipos de materiales están compuestos por átomos que pierden fácilmente sus electrones, y éstos pueden pasar de un átomo a otro. En términos sencillos, la electricidad no es otra cosa que electrones en movimiento. Así, cuando éstos se mueven entre los átomos de la materia, se crea una corriente de electricidad. Es lo que sucede en los cables que llevan la electricidad a su hogar: a través de ellos van pasando los electrones, y lo hacen casi a la velocidad de la luz.

Sin embargo, es conveniente saber que la electricidad fluye mejor en algunos materiales que en otros. Antes vimos que esto mismo sucede con el calor, pues en ambos casos hay buenos o malos conductores de la energía. Por ejemplo, la resistencia que un cable ofrece al paso de la corriente eléctrica depende y se mide por su grosor, longitud y el metal de que está hecho. A menor resistencia del cable, mejor será la conducción de la electricidad en el mismo. El oro, la plata, el cobre y el aluminio son excelentes conductores de electricidad. Los dos primeros resultarían demasiado caros para ser utilizados en los millones de kilómetros de líneas eléctricas que existen en el planeta; de ahí que el cobre sea utilizado más que cualquier otro metal en las instalaciones eléctricas.

La fuerza eléctrica que "empuja" los electrones es medida en Voltios. (La primera pila eléctrica fue inventada por el científico italiano Alejandro Volta, y en su honor se le denominó "Voltio" a esta medida eléctrica). En México utilizamos energía eléctrica de 110 voltios en nuestros hogares, pero en la industria y otras actividades se emplean, en ciertos casos, 220 voltios e incluso voltajes superiores para mover maquinaria y grandes equipos. En países europeos lo normal es el uso de 220 voltios para todos los aparatos eléctricos del hogar.

Así como se miden y se pesan las cosas que usamos o consumimos normalmente, también la energía eléctrica se mide en Watts-hora. El Watt es una unidad de potencia y equivale a un Joule por segundo. Para efectos prácticos, en nuestra factura de consumo de energía eléctrica se nos cobra por la cantidad de kiloWatts-hora (kWh) que hayamos consumido durante un periodo determinado (generalmente, dos meses). Un kiloWatt-hora equivale a la energía que consumen:

  • Un foco de 100 watts encendido durante diez horas

  • 10 focos de 100 watts encendidos durante una hora

  • Una plancha utilizada durante una hora

  • Un televisor encendido durante veinte horas

  • Un refrigerador pequeño en un día

  • Una computadora utilizada un poco más de 6 horas y media

Recuerde que "kilo" significa mil, por lo que un "kiloWatt"-hora equivale a mil Watts-hora. En los campos de la generación y consumo de electricidad, se utilizan los megaWatts (MW), equivalentes a millones de Watts; los gigaWatts (GW), miles de millones; y los teraWatts (TW), billones de Watts).


Electricidad estática.

Vimos antes que la corriente eléctrica fluye, es decir, que se mueve de un lugar a otro a través de un conductor, y lo hace a una gran velocidad; pero hay otro tipo de energía eléctrica, que es la electricidad estática, la cual, como su nombre lo indica, permanece en un lugar. Un ejemplo: Si usted frota en su ropa un globo inflado (de preferencia un suéter de lana) o en su propio cabello, puede poner el globo contra la pared y ahí permanecerá. ¿Por qué? Cuando es frotado, el globo toma electrones del suéter o del cabello y adquiere una ligera carga negativa, la cual es atraída por la carga positiva de la pared.

Ahora, de la manera indicada, frote usted dos globos inflados, a cada uno de ellos áteles un hilo y trate de que se acerquen uno al otro. ¿Qué ocurre? Los globos evitan tocarse entre sí. ¿Por qué? La explicación es que ambos tienen cargas negativas y éstas se repelen. Las cargas positivas se repelen y las cargas negativas también. En cambio, las cargas diferentes se atraen. Esto mismo ocurre con los polos de cualquier imán: el "norte" tiende a unirse con el "sur", pero los polos iguales siempre se repelen entre sí.

La electricidad estática puede ocasionarnos descargas o lo que llamamos "toques". Si usted camina sobre una alfombra o tapete, su cuerpo recoge electrones y cuando toca algo metálico, como es el picaporte de la puerta o cualquier otra cosa con carga positiva, la electricidad produce una pequeña descarga entre el objeto y sus dedos, lo que, además de sorpresivo, a veces, resulta un tanto doloroso.

Otra manifestación de la electricidad estática son los relámpagos y truenos de una tormenta eléctrica: las nubes adquieren cargas eléctricas por la fricción de los cristales de hielo que se mueven en su interior, y esas cargas de electrones llegan a ser tan grandes que éstos se precipitan hacia el suelo o hacia otra nube, lo cual provoca el relámpago y éste el trueno. El relámpago viaja a la velocidad de la luz (más de 300 mil kilómetros por segundo) y el trueno a la velocidad del sonido (poco más de 300 metros por segundo). Por esta razón es que primero vemos el relámpago y después escuchamos el trueno.

¿Cómo se genera la electricidad?

Hasta aquí hemos visto que la electricidad fluye a través de los cables, generalmente de cobre o aluminio, hasta llegar a nuestras lámparas, televisores, radios y cualquier otro aparato que tengamos en casa. Pero ¿cómo se produce la electricidad y de dónde nos llega?

Veamos, pues, cómo se genera la electricidad que consumimos en el hogar, pero antes es conveniente señalar que hay varias fuentes que se utilizan para generar electricidad: el movimiento del agua que corre o cae, el calor para producir vapor y mover turbinas, la geotermia (el calor interior de la Tierra), la energía nuclear (del átomo) y las energías renovables: solar, eólica (de los vientos) y de la biomasa (leña, carbón, basura y rastrojos del campo).

También es importante saber que en México el 75% de la electricidad se genera a base de combustibles fósiles utilizados en plantas o centrales termoeléctricas (que producen calor y vapor para mover los generadores), las cuales consumen gas natural, combustóleo y carbón. (Si la central consume carbón, se le denomina carboeléctrica). "Dual" es un término que se aplica a las plantas que pueden consumir indistintamente dos de estos combustibles.

La mayoría de las plantas generadoras de electricidad queman alguno de esos combustibles fósiles para producir calor y vapor de agua en una caldera. El vapor es elevado a una gran presión y llevado a una turbina, la cual está conectada a un generador y cuando éste gira, convierte ese movimiento giratorio en electricidad. Después de que el vapor pasa a través de la turbina, es llevado a una torre de enfriamiento, donde se condensa y se convierte nuevamente en agua líquida para ser utilizada otra vez en la caldera y repetir el proceso indefinidamente. (Ver el diagrama).

'Líneas de tranmisión'

Existen termoeléctricas llamadas de "ciclo combinado"; en ellas, los gases calientes de la combustión del gas natural que pasaron por la turbina pueden volverse a aprovechar, introduciéndolos a calderas que generan vapor para mover otra turbina y un segundo generador .

En todos los casos, la turbina está unida por su eje al generador, el cual contiene un rotor bobinado que gira dentro de un campo magnético estacionario con espiras (embobinado) de un largo y grueso cable. Cuando giran el eje de la turbina y el magneto que está dentro del generador, se produce una corriente de electricidad en el cable. ¿Por qué? Esto se explica por el llamado electromagnetismo, que descrito en términos sencillos consiste en lo siguiente: cuando un cable o cualquier material conductor de electricidad se mueve a través de un campo magnético -cortando líneas de fuerza magnéticas-, se produce una corriente eléctrica en el cable.

Para una mejor comprensión, se puede decir que un generador es como un motor eléctrico, pero al revés: en vez de usar energía eléctrica para hacer girar el motor, el eje de la turbina hace girar el motor para producir electricidad. La electricidad producida en el generador alcanza unos 25 mil voltios. En la planta ese voltaje es elevado a 400 mil voltios para que la electricidad pueda viajar a largas distancias a través de cables de alta tensión y, después, mediante transformadores que reducen el voltaje, llega a nuestros hogares, escuelas, industrias, comercios, oficinas, etc.

Las plantas nucleares utilizan la energía nuclear -del átomo- para producir calor que convierte el agua en el vapor necesario para mover las turbinas y los generadores. Otras plantas aprovechan el agua caliente o el vapor proveniente del interior de la Tierra (geotermia), sin necesidad de emplear combustible fósil o nuclear (uranio).

SISTEMAS DE TRANMISION ELECTRICA

Uno de los grandes problemas de la electricidad es que no puede almacenarse, sino que debe ser transmitida y utilizada en el momento mismo que se genera. Este problema no queda resuelto con el uso de acumuladores o baterías, como las que utilizan los coches y los sistemas fotovoltaicos, pues sólo son capaces de conservar cantidades pequeñas de energía y por muy poco tiempo. Conservar la electricidad que producen las grandes plantas hidroeléctricas y termoeléctricas es un reto para la ciencia y la tecnología. En algunos lugares, se aprovechan los excedentes de energía eléctrica o la energía solar para bombear agua a depósitos o presas situados a cierta altura; el agua después se utiliza para mover turbinas y generadores, como se hace en las plantas hidroeléctricas.

En cuanto se produce la electricidad en las plantas, una enorme red de cables tendidos e interconectados a lo largo y ancho del país, se encargan de hacerla llegar, casi instantáneamente, a todos los lugares de consumo: hogares, fábricas, talleres, comercios, oficinas, etc. Miles de trabajadores vigilan día y noche que no se produzcan fallas en el servicio; cuando éstas ocurren, acuden, a la brevedad posible, a reparar las líneas para restablecer la energía. A tal efecto, hay centros de monitoreo, estratégicamente situados, para mantener una vigilancia permanente en toda la red. A veces, los vientos, las lluvias y los rayos, entre otras causas, afectan las líneas de transmisión, las cuales deben ser revisadas y reparadas por los técnicos, ya sea en las ciudades o en el campo.

Ya vimos que cada uno de los generadores de las plantas hidroeléctricas y termoeléctricas producen electricidad de unos 25 mil voltios. ( Recuerde que el Voltio es la medida de la fuerza con que fluye la electricidad y debe su nombre a Alejandro Volta, un científico italiano que inventó la primera pila eléctrica). Ese voltaje inicial es elevado, en las propias instalaciones de la planta, hasta unos 400 mil voltios, pues la energía eléctrica puede ser transmitida con una mayor eficiencia a altos voltajes. Es así como viaja por cables de alta tensión y torres que los sostienen, a lo largo de cientos de kilómetros, hasta los lugares donde será consumida.

Del estado de Chiapas a la ciudad de México un avión comercial tarda más de una hora en llegar. La electricidad cubre ese trayecto en una fracción de segundo, pues viaja prácticamente a la velocidad de la luz. Antes de llegar a nuestros hogares, oficinas, fábricas, talleres y comercios, el voltaje es reducido en subestaciones y mediante transformadores cercanos a los lugares de consumo. En las ciudades, el cableado eléctrico puede ser aéreo o subterráneo. Para hacer llegar la electricidad a islas pobladas, se utilizan cables submarinos.

Cuando la electricidad entra a nuestra casa, pasa por un medidor. La "lectura" del medidor generalmente la efectúa (cada dos meses) un empleado de la compañía que nos proporciona el servicio eléctrico en nuestro hogar, oficina, taller, etc. El medidor marca la cantidad de kiloWatts-hora que consumimos cada día en iluminación, refrigeración, aire acondicionado, televisión, radio, etc. Es importante que usted también conozca cómo hacer la "lectura" de su medidor y los datos que contiene su factura por consumo de electricidad.

Líneas mediante las cuales se distribuye la electricidad. Para transmitir la energía eléctrica desde los puntos de generación, se requiere de líneas eléctricas, que deben operar a un valor de tensión que es directamente proporcional a la distancia requerida para su transporte y a la corriente eléctrica necesaria en el extremo de la carga. Para llegar a los valores de tensión para su consumo por las industrias o las casas habitación, es necesario que la tensión de transporte en las líneas eléctricas primarias, se reduzca mediante transformadores eléctricos; este proceso de transformación se realiza en varios pasos dependiendo de la distancia del punto de generación y la energía demandada por el centro urbano o industrial.

El valor de tensión a las que operarán las líneas eléctricas, depende de la distancia a la que se transmistirá la energía eléctrica y la impedancia de los conductores utilizados, siempre cuidando de la tensión a los usuarios finales sea, en la medida de lo posible, constante.

Existen líneas eléctricas de Transmisión que generalmente operan en tensiones de entre 200 kV en adelante; las de Subtransmisión que operan de entre 50 hasta 161 kV y las de distribución que operan en tensiones menores a 50 kV, pasando por las tensiones de consumo tal como 440 V, 220 V y 115kV, ésta última medida de fase a tierra.

Las líneas de Transmisión permiten transportar grandes cantidades de energía eléctrica y se utilizan en distancias tan grandes como 200 km. A las redes eléctricas que operan en estos valores de tensión por lo general forman los sistemas troncales y cubren grandes extensiones geográficas.

Las líneas de Subtransmisión se utilizan en zonas geográficas mas pequeñas con líneas de hasta 30 km.

ANTECEDENTES DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE CORRIENTE ALTERNA Y DIRECTA

La primera transmisión a distancia de la corriente alterna trifásica fue la transmisión de la energía eléctrica de una central hidroeléctrica de 200 kW. en Alemania, en 1891, a una distancia de 170 km. La tensión del generador se elevaba de 95 a 15000 V., tensión de transmisión y luego se reducía hasta 113 V. y se aplicaba a un motor asincrónico trifásico de 75 kW. que accionaba a una unidad de bombeo.

El desarrollo de las aplicaciones industriales de la electricidad que iniciaron a fines del siglo XIX, se oriento sobre dos caminos, la corriente continua y la corriente alterna, esta ultima en distintas frecuencias exigidas en algunos casos por distintas necesidades 15, 25, 42, 45, 50 Hz, 60 Hz... estas se fueron unificando en las hoy difundidas 50 y 60 Hz, ciertas aplicaciones mas modernas hicieron aparecer los 400 Hz...

Si se analiza cual es la mejor frecuencia para la transmisión de energía eléctrica a gran distancia, se observa que 50 Hz es mejor que 60 Hz, y si intenta optimizar se llega a la conclusión que a menor frecuencia, mejor transmisión... el problema aparece en la transformación necesaria para inyectar en la línea la energía generada o utilizar la energía transportada.

Como la transmisión a gran distancia apareció recién en 1930, en la búsqueda de la frecuencia optima esta necesidad no fue considerada, y cuando apareció la necesidad la frecuencia era ya una adopción generalizada y entonces indiscutible.

También apareció una necesidad de transmitir energía a través de canales o a través de estrechos en el mar, la solución de cables en corriente alterna se hizo imposible a partir de los 50 - 100 km, en la década del 60 aparecieron las primeras transmisiones en corriente continua, con los dispositivos tecnológicos entonces disponibles (enormes válvulas de vapor de mercurio).

En algunos países la convivencia entre 50 y 60 Hz exigió también la realización de interconexión entre los dos sistemas, la propuesta también se resolvió con corriente continua, otra necesidad se presenta cuando se trata de separar un gran sistema de corriente alterna en sistemas menores, para evitar ciertos problemas (niveles de cortocircuito excesivos, por ejemplo, o problemas de oscilaciones).

Planteando el problema hoy, la transmisión en corriente continua puede ser comparada con la transmisión con corriente alterna y si se desarrolla bien la comparación se encuentran ventajas importantes en la corriente continua.

En toda industria moderna , donde toda la maquinaria se mueve mediante energía eléctrica , los sistemas de transmisión y distribución eléctrica que alimentan al conjunto se encuentran sujetos a tensiones mucho mayores que la normal de servicio. Por eso las líneas y los aparatos del sistema tienen que estar construidos de manera que puedan soportar éstas sin perjuicio del funcionamiento normal , y es importante que el operario de la maquinaria y el personal de mantenimiento tenga conocimientos de los conceptos sobre el tema

CONDUCTORES PARA LINEAS AEREAS

Se llama línea aérea la instalación cuya finalidad es la transmisión aérea de energía eléctrica, esto se realiza con elementos de conducción y elementos de soporte.

Los soportes están formados por: - postes, - fundaciones, - puesta a tierra, la conducción con: conductores, - aisladores, - accesorios (morseteria).

Todos los elementos constructivos de una línea aérea deben ser elegidos, conformados, y construidos de manera que tengan un comportamiento seguro en condiciones de servicio, bajo las condiciones climáticas que normalmente es dado esperar, bajo tensiones de régimen, bajo corriente de régimen, y bajo las solicitaciones de cortocircuito esperables.

Iniciamos el análisis por los conductores, y continuaremos con otros elementos.

METALES CONDUCTORES

En la construcción de líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica, se utilizan casi exclusivamente conductores metálicos desnudos, que se obtienen mediante cableado de hilos metálicos (alambres) alrededor de un hilo central.

Los metales utilizados en la construcción de líneas aéreas deben poseer tres características principales:

1) presentar una baja resistencia eléctrica, y bajas pérdidas Joule en consecuencia.

2) presentar elevada resistencia mecánica, de manera de ofrecer una elevada resistencia a los esfuerzos permanentes o accidentales.

3) costo limitado.

Los metales que satisfacen estas condiciones son relativamente escasos, a saber:

* cobre

* aluminio

* aleación de aluminio

* combinación de metales (aluminio acero)

Conviene para cada caso particular investigar el metal más ventajoso, teniendo en cuenta las observaciones generales que siguen.

* El conductor cableado puede realizarse con hilos del mismo metal, o de distintos metales, según cuales sean las características mecánicas y eléctricas deseadas.

* Si los hilos son del mismo diámetro, la formación obedece a la siguiente ley:

nh = 3 c^2 + 3 c + 1

siendo: nh = número de hilos; c = número de capas

Por lo tanto es común encontrar formaciones de 7, 19, 37, 61, 91 hilos, respectivamente 1 a 5 capas.

En transmisión de energía eléctrica los materiales utilizados son cobre, aluminio y aleación de aluminio, pudiendo afirmarse que prácticamente no se utilizan otros materiales.

Pese a la menor resistencia eléctrica y superiores aptitudes mecánicas el cobre ha dejado de ser utilizado en la construcción de líneas aéreas, esto es especialmente notado en alta y muy alta tensión.

EL ALUMINIO

El aluminio es el material que se ha impuesto como conductor de líneas aéreas habiendo sido superadas por la técnica las desventajas que se le notaban respecto del cobre, además ayudado por un precio sensiblemente menor, y por las ventajas del menor peso para igual capacidad de transporte.

Los conductores en base a aluminio utilizados en la construcción de líneas aéreas se presentan en las siguientes formas:

cables homogéneos de aluminio puro (AAC)

cables homogéneos de aleación de aluminio (AAAC)

cables mixtos aluminio acero (ACSR)

cables mixtos aleación de aluminio acero

cables aislados con neutro portante (cables preensamblados)

Independientemente de las características eléctricas y mecánicas que conducen a la elección de un tipo de conductor u otro, cuyas ventajas o desventajas comentaremos mas adelante, no se deben perder nunca de vista los principios básicos de uso de este tipo de material, a saber:

1) los conductores de aluminio se utilizan siempre en forma de hilos cableados, debido a que poseen mejor resistencia a las vibraciones que los conductores de un único alambre.

2) la dureza superficial de los conductores de aluminio es sensiblemente menor que para los de cobre, se los debe manipular con cuidado, además los hilos que componen el conductor deben ser de 2 mm de diámetro o mas, para que especialmente en las operaciones de tendido no se arriesguen daños graves.

3) expuestos a la intemperie se recubren rápidamente de una capa protectora de óxido insoluble y que protege al conductor contra la acción de los agentes exteriores. Pese a esto deberá prestarse atención cuando hay ciertos materiales en suspensión en la atmósfera, zonas de caleras, cementeras, etc. exigen seleccionar una aleación adecuada.

4) ciertos suelos naturales atacan al aluminio en distintas formas, por lo que no es aconsejable utilizarlo para la puesta a tierra de las torres, al menos cuando se ignoran las reacciones que el suelo puede producir.

5) el aire marino tiene una acción de ataque muy lenta sobre el aluminio, de todos modos numerosas líneas construidas en la vecindad del mar han demostrado óptimo comportamiento, en estos casos se deben extremar las precauciones en lo que respecta al acierto en la elección de la aleación y su buen estado superficial, en general el ataque será mas lento cuanto menos defectos superficiales haya. Los defectos superficiales son punto de partida de ataques locales que pueden producir daños importantes, si no se presentan entalladuras o rebabas (que pueden ser causadas por roces durante el montaje) los hilos serán menos sensibles al ataque exterior.

6) el aluminio es electronegativo en relación a la mayoría de los metales que se utilizan en las construcciones de líneas, y por esto se debe tener especial cuidado en las uniones.

7) la temperatura de fusión del aluminio es 660 grados C (mientras el cobre funde a 1083 grados C) por lo tanto los conductores de aluminio son mas sensibles a los arcos eléctricos.

TIPOS DE CONDUCTORES

Haremos ahora algunos comentarios ligados al material del conductor.

1) Conductores HOMOGENEOS de ALUMINIO

El aluminio es, después del cobre, el metal industrial de mayor conductividad eléctrica. Esta se reduce muy rápidamente con la presencia de impurezas en el metal. Lo mismo ocurre para el cobre, por lo tanto para la fabricación de conductores se utilizan metales con un título no inferior al 99.7 %, condición esta que también asegura resistencia y protección de la corrosión.

2) Conductores HOMOGENEOS de ALEACION de ALUMINIO

Se han puesto a punto aleaciones especiales para conductores eléctricos. Contienen pequeñas cantidades de silicio y magnesio (0.5 0.6 % aproximadamente) y gracias a una combinación de tratamientos térmicos y mecánicos adquieren una carga de ruptura que duplica la del aluminio (haciéndolos comparables al aluminio con alma de acero), perdiendo solamente un 15 % de conductividad (respecto del metal puro).

3) Conductores MIXTOS de ALUMINIO ACERO

Estos cables se componen de un alma de acero galvanizado recubierto de una o varias capas de alambres de aluminio puro. El alma de acero asigna solamente resistencia mecánica del cable, y no es tenida en cuenta en el cálculo eléctrico del conductor.

También se realizan conductores mixtos de aleación de aluminio acero, lógicamente tienen características mecánicas superiores, y se utilizan para vanos muy grandes o para zonas de montaña con importantes sobrecargas de hielo.

CARACTERISTICAS MECANICAS

Los valores que caracterizan el comportamiento mecánico del cable son el módulo de elasticidad (E) y el coeficiente de dilatación lineal (alfa), este último al disminuir la temperatura influye reduciendo la longitud del conductor y aumentando el tiro, su solicitación mecánica.

En cables mixtos interesa encontrar valores equivalentes a un conductor ideal homogéneo:

Ecable = (Sac Eac + Sal Eal) / (Sac + Sal)

alfacable = (alfaac Sac Eac + alfaal Sal Eal)/(Sac Eac + Sa Eal)

El valor de la carga de rotura nominal de un conductor mixto aluminio acero esta dada por:

Rcable = (Rac + 4.8) Sac + (Ral + 0.98) Sal

Siendo Rac y Ral las cargas de rotura de los hilos correspondientes, para aleación de aluminio acero en cambio:

Rcable = 0.9 (Rc + 8.8) Sac + Raleac Saleac

SELECCION DEL TIPO DE CONDUCTOR

Las características expuestas anteriormente permiten extraer conclusiones que ayudan a seleccionar el tipo de conductor.

Los conductores homogéneos de aluminio por sus bajas características mecánicas tienen el campo de aplicación fuertemente limitado, ya que vanos relativamente grandes llevarían a flechas importantes que obligarán a aumentar la altura de los soportes, como también fijar distancias notables entre las fases originando cabezales de grandes dimensiones, este tipo de conductor se utiliza entonces para los vanos de las estaciones eléctricas o en las líneas con vanos relativamente cortos.

Los conductores de aleación de aluminio, o de aluminio acero, con características mecánicas elevadas, permiten cuando las trazas son rectilíneas hacer trabajar a los conductores con los máximos esfuerzos que le son permitidos. Esto da por resultado grandes vanos, con el consiguiente ahorro de torres, aisladores, Morseteria y fundaciones.

A su vez los conductores de aleación de aluminio presentan algunas ventajas respecto de los de aluminio acero, a saber :

* mayor dureza superficial, lo que explica la mas baja probabilidad de daños superficiales durante las operaciones de tendido, particularidad muy apreciada en las líneas de muy alta tensión, ya que como consecuencia se tendrán menos perdidas corona, y menor perturbación radioeléctrica.

* menor peso, el ser mas liviano, para flecha y vanos iguales da como consecuencia a igual altura de torres menor peso en las torres terminales y angulares, por la menor solicitación mecánica, esto influye en la economía especialmente cuando la traza es quebrada.

Para el caso de trazas rectilíneas, a igualdad de tensión mecánica de tendido, se tiene menor flecha para igual vano, y en consecuencia menor altura de las torres de suspensión.

Una desventaja que debe señalarse para la aleación de aluminio es que por ser sus características mecánicas consecuencia de tratamientos térmicos, el cable es sensible a las altas temperaturas (no debe superarse el límite de 120 grados C) por lo que debe prestarse especial atención al verificar la sección para las sobrecorrientes y tener particularmente en cuenta la influencia del cortocircuito.

SELECCION CON CRITERIO ELECTRICO

El conductor es el componente que justifica la existencia de la línea, en rigor toda la obra se hace para sostenerlo, y entonces es valida la afirmación de que su elección acertada es la decisión mas importante en la fase de proyecto de una línea.

La razón de la elección es variable con los parámetros de la línea, en particular la tensión, la energía a transportar, etc. debiendo tenerse presente que de la correcta elección depende el costo incremental de la energía que la línea transmite.

Como el conductor por sus características eléctricas y mecánicas, influye en el diseño de las torres, y su ubicación en el terreno, puede deducirse que existe una familia de conductores que satisfacen técnicamente la relación existente entre torre y conductor, pero solo uno es el mas apto para satisfacer las reglas de las cuales no debe apartarse ni esta ni otras obras de ingenieria, tanto eléctrica como de otra especialidad.

Se trata de lograr un diseño con mínimos costos de la obra teniendo en cuenta su construcción y funcionamiento durante un periodo dado.

El objetivo es minimizar:

perdidas de transporte de energía.

costo de las instalaciones de transporte de energía.

Las perdidas de energía son debidas al efecto Joule, y al efecto Corona, ligados respectivamente a la corriente y a la tensión aplicada.

Ambas perdidas se reducen aumentando el diámetro del conductor, que implica un aumento de sección, e incrementos en los costos de las instalaciones no es entonces posible reducir perdidas y simultáneamente reducir el costo de la obra.

Por otra parte como toda obra, las líneas tienen una vida económicamente útil, en la cual se espera amortizar el capital invertido.

Las pérdidas de transmisión representan la energía producida o adquirida (por quien explota la línea) y no vendida, las inversiones realizadas en las instalaciones deben amortizarse en el plazo de vida útil establecido, y esto tiene un costo financiero y por lo tanto el costo de transporte depende de la suma del costo de perdidas y costos financieros, que cuando alcanzan el mínimo, minimizan el costo de transporte.

Para cálculos de esta índole es usual determinar el costo anual de energía e instalaciones.

Consideremos el problema de transportar una potencia de P kW a una distancia de l km.

Fijada la tensión es posible establecer las perdidas Joule para cada diámetro (sección) del conductor, en términos del costo anual que se representa con una curva con forma de hipérbola en un gráfico que relaciona costo diámetro.

Supuestos conocidos los costos para cada uno de los diámetros del conductor, y como esta relacionado este con el costo de instalación (torres, fundaciones, etc.), se determina el costo anual que se representa con una curva parabólica que crece uniformemente con el diámetro.

Con ambas curvas se determina el costo total, y repitiendo el mismo análisis para las distintas tensiones y la misma potencia P se observa un desplazamiento de la curva, hacia arriba cuando la tensión se incrementa (dentro de rangos prácticos).

Aunque los conductores constituyen los elementos cuyo costo esta mas ligado al diámetro, también otros componentes de la línea se ven influenciados en cierto grado (Morseteria, torres, fundaciones).

Estos últimos componentes deben ser considerados, ya que alteran la curva de los conductores en forma y posición. Y por lo tanto el análisis económico debe ser completo so pena de ser mas o menos equivocado.

Además no debe olvidarse de respetar los limites de temperatura con la corriente de régimen, y con la máxima solicitación de cortocircuito, no se debe alcanzar una temperatura tal que provoque una disminución no admisible de la resistencia mecánica del conductor.

Tabla 10 - Temperatura limite para cortocircuito

Material

Temperatura en gr. C

Cobre

170

Aluminio

130

Aleacion de aluminio

160

Acero

200

Aluminio acero

160

 

LOS CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS Y LA SALUD PÚBLICA:

LAS FRECUENCIAS EXTREMADAMENTE BAJAS (ELF)

Todos nosotros estamos expuestos a una compleja diversidad de campos electromagnéticos (CEM) de diferentes frecuencias, omnipresentes en nuestro medio ambiente. La exposición a estas frecuencias es cada vez mayor, a medida que la tecnología continúa avanzando y que se crean nuevas aplicaciones.

Aunque nadie pone en duda los enormes beneficios que la energía eléctrica aporta a la vida cotidiana y a los servicios sanitarios, en los últimos veinte años ha aumentado la preocupación del público ante la posibilidad de que la exposición a campos eléctricos y magnéticos de frecuencias extremadamente bajas (ELF) tenga algún efecto nocivo para la salud. Este tipo de campos está asociado principalmente a la transmisión y uso de energía eléctrica a las frecuencias de 50/60 Hz.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) está examinando los aspectos sanitarios de esta situación en el marco de su Proyecto Internacional sobre los Campos Electromagnéticos. Es necesario determinar claramente las posibles consecuencias sanitarias y, si se considera procedente, habrá que adoptar las medidas paliativas apropiadas. Los resultados de las investigaciones actuales son frecuentemente contradictorios. Ello aumenta la preocupación y la confusión en general, y el público desconfía de que pueda llegarse a conclusiones justificadas en lo que respecta a su seguridad.

La presente nota descriptiva tiene por objeto informar sobre la exposición a los campos ELF y sobre sus posibles efectos en la salud, tanto en la colectividad como en el trabajo. La información procede de un estudio de la OMS sobre este tema, y de otros estudios recientes a cargo de eminentes autoridades.

Campos eléctricos y magnéticos ELF

Los campos electromagnéticos son una combinación de ondas eléctricas (E) y magnéticas (H) que se desplazan simultáneamente, como se muestra en el diagrama siguiente. Se propagan a la velocidad de la luz, y están caracterizados por una frecuencia y una longitud de onda. La frecuencia es, simplemente, el número de oscilaciones de la onda por unidad de tiempo, medido en múltiplos de un hertzio (1 Hz = 1 ciclo por segundo), y la longitud de onda es la distancia recorrida por la onda en una oscilación (o ciclo).

Los campos ELF son los de frecuencias superiores a 300 Hz. A este nivel de frecuencia tan bajo, las longitudes de onda en el aire son muy largas (6000 km a 50 Hz, y 5000 km a 60 Hz) y, en la práctica, los campos eléctricos y magnéticos actúan independientemente y se miden por separado.

Los campos eléctricos se producen por la presencia de cargas eléctricas, y determinan, a su vez, el movimiento de otras cargas situadas dentro de su alcance. Su intensidad se mide en voltios por metro (V/m) o en kilovoltios por metro (kV/m). Cuando un objeto acumula carga eléctrica, ésta hace que otras cargas de su mismo signo o de signo opuesto experimenten una repulsión o una atracción, respectivamente. La intensidad de estas fuerzas se denomina tensión eléctrica o voltaje, y se mide en voltios (V). Todo aparato conectado a una red eléctrica, aunque no esté encendido, está sometido a un campo eléctrico que es proporcional a la tensión de la fuente a la que está conectado. Los campos eléctricos son más intensos cuanto más cerca están del aparato, y se debilitan con la distancia. Algunos materiales comunes, como la madera o el metal, apantallan sus efectos.

Los campos magnéticos se producen, en particular, cuando hay cargas eléctricas en movimiento, es decir, corrientes eléctricas, y determinan el movimiento de las cargas. Su intensidad se mide en amperios por metro (A/m), aunque suele expresarse en función de la inducción magnética que produce, medida en teslas (T), militeslas (mT) o microteslas (ðT). En algunos países, se utiliza normalmente otra unidad denominada gauss (G) (10.000 G = 1 T, 1 G = 100 ðT, 1 mT = 10 G, 1 ðT = 10 mG). Todo aparato conectado a una red eléctrica generará en torno suyo, si está encendido y circula la corriente, un campo magnético proporcional a la cantidad de corriente que obtiene de la fuente que lo alimenta. La intensidad de estos campos es tanto mayor cuanto más cerca del aparato, y disminuye con la distancia. Los materiales más corrientes no son, en general, un obstáculo para los campos magnéticos, que los atraviesan fácilmente.

Fuentes

A las frecuencias de 50/60 Hz, los campos eléctricos y magnéticos de origen natural tienen intensidades muy bajas, del orden de 0'0001 V/m y 0'00001 ðT, respectivamente. La exposición de las personas a los campos ELF proviene, en su mayor parte, de la generación, transmisión y utilización de la energía eléctrica. Se indican a continuación las procedencias de los campos ELF y los valores máximos que pueden llegar a alcanzar en los núcleos de población, en el hogar y en el lugar de trabajo.

En los núcleos de población: La energía eléctrica se distribuye desde las estaciones generadoras hasta los núcleos urbanos mediante líneas de transmisión de alto voltaje. Para dar conexión a las líneas de distribución de las viviendas, el voltaje se ha de reducir mediante transformadores. Bajo las líneas de transmisión del tendido aéreo, los campos eléctricos y magnéticos pueden llegar a alcanzar los 12 kV/m y los 30 ðT, respectivamente. En las inmediaciones de las estaciones y subestaciones generadoras, estos valores pueden llegar a ser de 16 kV/m y 270 ðT.

En las viviendas: En el hogar, la intensidad de los campos eléctricos y magnéticos dependerá de diversos factores, como la distancia a que se encuentren las líneas de suministro de la zona, el número y tipo de aparatos eléctricos que se utilicen, o la configuración y situación de los cables eléctricos en la vivienda. En la mayoría de los electrodomésticos utilizados, los campos eléctricos no suelen ser mayores de 500 V/m, en tanto que los campos magnéticos no sobrepasan, por lo general, los 150 ðT. En ambos casos, estos niveles pueden ser bastante mayores a muy corta distancia, pero disminuyen rápidamente al alejarse.

En el lugar de trabajo: Todos los equipos y cables eléctricos utilizados en las instalaciones industriales generan campos eléctricos y magnéticos. Los técnicos que mantienen las líneas de transmisión y de distribución pueden estar expuestos a campos eléctricos y magnéticos muy intensos. En las estaciones y subestaciones generadoras pueden existir campos eléctricos superiores a 25 kV/m y campos magnéticos superiores a 2 mT. Los soldadores pueden estar expuestos a campos magnéticos de hasta 130 mT. Cerca de los hornos por inducción y de las baterías electrolíticas de uso industrial, los campos magnéticos pueden superar los 50 mT. En las oficinas, los trabajadores están expuestos a campos mucho menores cuando utilizan aparatos del tipo de las fotocopiadoras o los monitores de vídeo.

Efectos sobre la salud

En la práctica, la única manera en que los campos ELF pueden interactuar con los tejidos vivos es induciendo en ellos campos y corrientes eléctricas. Sin embargo, a los niveles que son habituales en nuestro medio ambiente, la magnitud de estas corrientes es inferior a la de las corrientes que produce espontáneamente nuestro organismo.

Estudios sobre los campos eléctricos: Los datos de que se dispone sugieren que, si exceptuamos la estimulación causada por las cargas eléctricas inducidas en la superficie de nuestro cuerpo, la exposición a campos no superiores a 20 kV/m produce unos efectos escasos e inocuos. No está demostrado que los campos eléctricos tengan efecto alguno sobre la reproducción o el desarrollo de los animales a intensidades superiores a los 100 kV/m.

Estudios sobre los campos magnéticos: Existen escasas pruebas experimentales confirmadas de que los campos magnéticos ELF afecten a la fisiología y el comportamiento humanos a las intensidades habituales en el hogar o en el medio ambiente. En voluntarios sometidos durante varias horas a campos ELF de hasta 5 mT, los efectos de esta exposición fueron escasos tras realizar diversas pruebas clínicas y fisiológicas de hematología, electrocardiografía, ritmo cardíaco, presión arterial o temperatura del cuerpo.

Melatonina: Algunos investigadores han comunicado que la exposición a campos ELF puede suprimir la secreción de melatonina, que es una hormona vinculada a nuestros ritmos de actividad diurna-nocturna. Se ha indicado que la melatonina podría proteger contra el cáncer de mama, de modo que su supresión podría contribuir a una mayor incidencia de esta enfermedad por causa de otros agentes. Aunque hay indicios de que la melatonina resulta afectada en animales de laboratorio, los estudios realizados con voluntarios no han confirmado esas alteraciones en las personas.

Cáncer: No existen pruebas convincentes de que la exposición a los campos ELF cause directamente daños en las moléculas de los seres vivos, y en particular en su ADN. Es, pues, improbable que pueda desencadenar un proceso de carcinogénesis. Sin embargo, se están realizando estudios para determinar si la exposición a esos campos puede influir en la estimulación o coestimulación del cáncer. Recientes estudios realizados en animales no han demostrado que la exposición a campos ELF influya en la incidencia de cáncer.

Estudios epidemiológicos: En 1979, Wertheimer y Leeper comunicaron una vinculación entre la leucemia infantil y ciertas particularidades relativas a los cables que conectaban sus viviendas a la línea de distribución eléctrica. Desde entonces, se han realizado numerosos estudios para profundizar en este importante resultado. El análisis realizado en 1996 por la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos indicaba que la circunstancia de habitar cerca de una línea eléctrica pudiera estar asociada a un alto riesgo de leucemia infantil (riesgo relativo: RR = 1'5), aunque no de otros cánceres. No se apreció en esos estudios ninguna relación semejante entre el cáncer y la exposición de los adultos en sus domicilios.

Muchos de los estudios publicados en los últimos diez años sobre la exposición a campos ELF en el lugar de trabajo carecen de solidez en varios respectos. Por una parte, parecen indicar un ligero aumento del riesgo de leucemia en los trabajadores de empresas eléctricas. Sin embargo, en muchos de ellos no se ha tenido en cuenta la influencia de otros factores, como la posible exposición a sustancias químicas en el entorno de trabajo. No se apreció una correlación satisfactoria entre el riesgo de cáncer en los sujetos estudiados y el valor estimado de su exposición a campos ELF. Por consiguiente, no se ha confirmado la existencia de una relación de causa-efecto entre la exposición a campos ELF y el cáncer.

Cuadro de Expertos del NIEHS: El National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) de los Estados Unidos ha llevado a término su programa quinquenal RAPID. En el marco de dicho programa se reprodujeron y ampliaron diversos estudios que habían dado cuenta de efectos posiblemente nocivos para la salud, y se realizaron nuevos estudios para determinar si realmente la exposición a los campos ELF afectaba en algún aspecto a la salud. En junio de 1998, el NIEHS constituyó un Grupo de trabajo para examinar los resultados de las investigaciones. Basándose en criterios establecidos por el Centro Internacional de Investigaciones sobre el Cáncer (CIIC), el Cuadro internacional de expertos concluyó que los campos ELF debían considerarse como un "posible carcinógeno humano".

"Posible carcinógeno humano" es la denominación más leve de las tres que utiliza el CIIC ("posiblemente carcinógeno para las personas", "probablemente carcinógeno para las personas" y "carcinógeno para las personas") para clasificar la evidencia científica de una posible carcinogenicidad. Aunque el CIIC utiliza otros dos términos para estas clasificaciones: "no clasificable" y "probablemente no carcinógeno para las personas", el Grupo de trabajo del NIEHS consideró que había datos suficientes para descartar estas categorías.

Se clasifica como "posible carcinógeno humano" a aquellos agentes cuya carcinogenicidad está escasamente probada en las personas e insuficientemente probada en experimentos con animales. Por tanto, esta clasificación valora la solidez de las pruebas científicas, y no el grado de carcinogenicidad o el riesgo de cáncer vinculado al agente. Así pues, la denominación "posible carcinógeno humano" significa que hay escasas pruebas fiables de que la exposición a campos ELF pueda ser causa de cáncer. Aunque los datos de que se dispone no permiten descartar que este tipo de exposición produzca cáncer, serán necesarias investigaciones más especializadas y de alto nivel para dilucidar esta cuestión.

La decisión del Grupo de trabajo del NIEHS se fundamentaba en la aparente concordancia de ciertos estudios epidemiológicos, según los cuales en las viviendas cercanas a las líneas eléctricas parecía existir un mayor riesgo de leucemia infantil. Esta relación se desprendía de diversos estudios que vinculaban la incidencia de la leucemia infantil a la proximidad de líneas eléctricas y a la presencia de campos magnéticos medidos durante 24 horas en viviendas. Además, el Grupo de trabajo concluyó también que había escasa evidencia de que la exposición en el lugar de trabajo estuviera asociada a un aumento de la leucemia linfocítica crónica.

Proyecto internacional CEM

El proyecto internacional CEM de la OMS nació para tratar de dar una respuesta a las cuestiones sanitarias que planteaba la exposición a los campos EMF. Se han realizado exámenes científicos, y se han identificado aspectos insuficientemente conocidos. En base a ello, se ha confeccionado un calendario de investigaciones para los próximos años que permitirá evaluar más a fondo los riesgos para la salud. Para 2001, el CIIC prevé organizar una reunión oficial de un grupo especializado que evaluará los resultados. Seguidamente, la OMS adoptará las conclusiones del CIIC, y en 2002 llevará a cabo una evaluación de los riesgos sanitarios no vinculados al cáncer. Puede obtenerse más información al respecto en la página central del Proyecto CEM de la OMS, en http://www.who.ch/emf/.

Normas internacionales

La Comisión Internacional de Protección contra la Radiación no ionizante (CIPRNI) ha publicado directrices sobre posibles límites de exposición para todos los tipos de CEM. Estas directrices ofrecen una protección adecuada respecto de los efectos sanitarios ya conocidos, y respecto de los que pueden producirse al tocar objetos cargados en un campo eléctrico externo. Los límites de exposición a campos CEM recomendados en numerosos países son más o menos similares a los de la CIPRNI, que es una organización no gubernamental (ONG) oficialmente reconocida por la OMS y que participa plenamente en el Proyecto internacional CEM. Esta organización reexaminará sus directrices una vez que el Proyecto CEM haya realizado nuevas evaluaciones de los riesgos para la salud.

Medidas de protección

Los objetos conductores de gran tamaño (por ejemplo, cercas metálicas, vallas o estructuras metálicas similares) instalados con carácter permanente junto a líneas de transmisión eléctrica de alta tensión deberían estar provistos de una toma de tierra. En caso contrario, la línea eléctrica puede llegar a cargarlos con un voltaje suficiente para que una persona que se acerque a ellos, o los toque, reciba una descarga imprevista y desagradable. Esa misma situación se puede producir al tocar un automóvil o un autobús estacionado debajo de una línea eléctrica de alta tensión o cercano a ella.

Para la población: Dado que, hoy por hoy, la información científica es sólo vagamente concluyente y no establece que la exposición a campos ELF, a los niveles habituales en nuestro medio, puedan causar efectos perjudiciales para la salud, no son necesarias medidas de protección específicas para el conjunto de la población. En los lugares donde haya fuentes de exposición a campos ELF, el acceso del público se restringirá mediante cercas o vallas, de modo que no serán necesarias medidas de protección adicionales.

Para los trabajadores: Frente a los campos eléctricos de 50/60 Hz puede conseguirse protección con relativa facilidad interponiendo materiales aislantes. Esta medida solamente es necesaria para quienes trabajan en lugares en que los campos son muy intensos. En este tipo de campos, lo más habitual es que el acceso del personal esté restringido. No existe ninguna solución práctica y económica para protegerse de los campos magnéticos ELF. Cuando éstos son muy intensos, el único método de protección viable consiste en limitar la presencia del personal.

Interferencia causada por los campos CEM

    • Los campos CEM intensos son causa de interferencia electromagnética (IEM) en los marcapasos y otros aparatos electromédicos implantados. Las personas que utilizan estos dispositivos deberían consultar a su médico para determinar en qué medida son susceptibles a esos efectos. La OMS insta a los fabricantes a que sus aparatos tengan una susceptibilidad mucho menor a la IEM.

    • En las oficinas, los trabajadores podrían percibir desplazamientos de la imagen en la pantalla conectada a su computadora. Si los campos magnéticos ELF son en esos lugares superiores a aproximadamente 1 ðT (10 mG), pueden llegar a interferir en los electrones que producen la imagen en la pantalla. Una solución simple a este problema consiste en trasladar la computadora a otro lugar de la habitación en que los campos magnéticos sean inferiores a ese valor. Suele existir este tipo de campos junto a los cables que suministran energía eléctrica a los edificios de oficinas o de apartamentos, o cerca de los transformadores utilizados para el suministro eléctrico de los edificios. La intensidad de los campos producidos por estas fuentes suele estar muy por debajo de los niveles preocupantes para la salud.

Ruido, ozono y corona

Los transformadores eléctricos o líneas eléctricas de alta tensión que crean corona (véase la explicación más adelante) emiten también un zumbido audible. Aunque este ruido puede ser molesto, no tiene ninguna consecuencia para la salud por lo que respecta a los CEM.

Algunos aparatos, como las fotocopiadoras u otros que funcionan con alta tensión, pueden producir ozono, que es un gas incoloro de olor acre. Al atravesar el aire, las descargas eléctricas convierten las moléculas de oxígeno en ozono. Aunque el olfato es bastante sensible a este gas, las concentraciones que se alcanzan junto a las fotocopiadoras y otros aparatos de ese tipo están muy por debajo de los niveles preocupantes para la salud.

El efecto corona, consistente en la emisión de descargas eléctricas a través del aire, se produce en las proximidades de las líneas de alta tensión. En las noches húmedas o en los días lluviosos resulta a veces visible, y puede producir ruido y ozono. Ninguno de estos efectos es suficientemente importante para afectar a la salud.

SOBRETENSIONES.

Se denomina sobretensión a todo aumento de tensión capaz de poner en peligro el material o el buen servicio de una instalación eléctrica. La relación entre la sobretensión Us, y la tensión de servicio se llama factor de sobretensión que viene expresado por :

'Líneas de tranmisión'

Por ejemplo en una línea cuya tensión nominal es de 6 kV, y aumenta la tensión hasta 15 kV, el factor de sobretensión vale : 

'Líneas de tranmisión'

Muchas veces es posible calcular el factor de sobretensión y, por lo tanto, prever la magnitud de las posibles sobretensiones que pueden presentarse en la instalación.

Las sobretensiones pueden producir descargas que, además de destruir o averiar seriamente el material, también pueden ser la causa de nuevas sobretensiones. Muchas veces, los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su magnitud, sino también a la forma de onda. Si se realizan correctamente la instalación y las líneas de conexión están en buenas condiciones es poco probable que se produzcan sobretensiones. Si, a pesar de todas las precauciones, en una instalación se producen sobretensiones debe procurarse que descarguen a tierra lo más rápidamente posible, por medio de los correspondientes dispositivos de protección denominados, en general, descargadores de sobretensión. Estas protecciones deben regularse a un factor de sobretensión que sea menor que el grado de seguridad de la instalación pero que, por otra parte, no se aproxime demasiado al valor de la tensión de servicio ya que de lo contrario entraría muchas veces en funcionamiento haciendo inestables las condiciones de la instalación. Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensión aunque, generalmente, en las primeras tienen menos importancia que en las últimas, debido a que en las instalaciones de alta tensión las propias condiciones de funcionamiento y de aislamiento favorecen la aparición de sobretensiones.

Las tensiones anormales o sobretensiones pueden clasificarse, según su origen, en dos grupos: las sobretensiones internas y las atmosféricas.

a) Las sobretensiones internas se forman como consecuencia de las oscilaciones entre las energías de los campos magnético y eléctrico producidas por un arco intermitente, es decir arcos que se apagan al pasar la corriente alterna por cero, pero se vuelven a encender cuando la sinusoide de la tensión toma mayores valores. Son las producidas al variar las propias condiciones de servicio de la instalación. Estos no se producen solamente por arqueo de aisladores sino también en los interruptores cuando desconectan altas intensidades.

A este grupo pertenecen las oscilaciones de intensidad de corriente, las variaciones de carga, las descargas a tierra, etc.. En todos estos procesos, la energía acumulada en los elementos inductivos y capacitivos de los circuitos que comprenden una instalación, pueden llegar a descargar de tal modo que originen perjudiciales aumentos de la tensión. Esta clase de sobretensiones pueden preverse en gran parte y, por lo tanto, evitarse . Las sobretensiones de origen interno pueden, a su vez, clasificarse en dos categorías:

1) sobretensiones de maniobra que designan los fenómenos transitorios que acompañan a los bruscos cambios de estado de una red, por ejemplo, maniobras de disyuntores, descargas a tierra, etc...

2) sobretensiones de servicio que comprenden los estados estacionarios que pueden resultar durante la puesta en servicio o fuera de servicio de una carga, sobre todo, cuando la red comprende líneas de gran longitud; también se incluyen en este grupo las sobretensiones permanentes provocadas por los defectos a tierra 

El carácter de las sobretensiones producidas por tales oscilaciones, llamadas sobretensiones internas, es completamente distinta del de la elevación de la tensión debida a la autoexcitación de máquinas sincrónicas o al efecto Ferranti, pues en estos dos casos se trata de la elevación de la tensión de 50 Hz ( ó 60 Hz. Según el país ), mientras que las sobretensiones internas están caracterizadas por ondas de otra frecuencia que se superponen a la frecuencia básica .

El transitorio es, casi siempre, una oscilación amortiguada de frecuencia media y escasa duración. Por el contrario, la forma de onda de las sobretensiones producidas por fenómenos estacionarios tienen una amplitud constante o casi constante; estas sobretensiones se desplazan por las líneas y aparatos en forma de ondas de choque, llamadas también ondas errantes.

Final del formulario

'Líneas de tranmisión'

La frecuencia de las sobretensiones internas está definida por la frecuencia natural del sistema siendo :

'Líneas de tranmisión'

donde Csis y Lsis , indican la capacitancia correspondiente a la inductancia de todo el sistema de transmisión, y fsis, resulta del orden de 103 Hz.

La amplitud de las oscilaciones depende principalmente de la conexión del punto neutro del sistema y también de la distribución de las inductancias y capacitancias. En sistemas con punto neutro, aislado se midieron, según Lewis, sobretensiones internas hasta cinco veces mayores que la tensión normal, mientras en sistemas con punto neutro conectado directamente a tierra no se registraron valores mayores de dos hasta tres veces la tensión normal.

b) El segundo grupo lo forman las sobretensiones de orígen externo , como las que que penetran en líneas aéreas desde la atmósfera a consecuencia de golpes de rayo o de influencia electroestática. Las sobretensiones producidas por golpes de rayo directos son las más peligrosas por ser mucho más altas que las internas y las debidas a influencia electroestática de las nubes. Se incluyen en este grupo, las sobretensiones que tienen una procedencia exterior a la instalación y en los que, por lo tanto sus amplitudes no están en relación directa con la tensión de servicio de la instalación afectada. Comprenden, sobre todo, las sobretensiones de origen atmosférico, tales como rayos, cargas estáticas de las líneas, etc...

Los golpes de rayo directos pueden producir tensiones del orden de 105 hasta 106 voltios, y corrientes del orden de 104 hasta 105 amperios. De los oscilogramas tomados mediante oscilógrafos de rayos catódicos resulta que la tensión y la corriente son impulsos de muy  breve duración que pueden representarse mediante ondas aperiódicas que se desarrollan en intervalos de 5 hasta 100 µs (microsegundos, siendo 1 µs = 10-6 segundos )

Los aisladores de línea no pueden soportar tales sobretensiones en consecuencia se producen descargas y se forman arcos sobre los aisladores que perduran aun cuando la sobretensión desaparece, siendo la tensión de servicio de líneas de alta y media tensión suficiente para mantenerlos en el canal de aire ionizado. Ahora bien, el arco con su alta temperatura destroza a los aisladores si no se interrumpe muy pronto. La interrupción del arco en sistemas con el punto neutro conectado directamente a tierra, se efectúa mediante los interruptores, ya que el arco sobre los aisladores produce un corto circuito monofásico. En sistemas con el punto neutro aislado, el arco encendido por sobretensiones atmosféricas no produce cortocircuitos , sino corrientes de moderada intensidad, pero que pueden destruir muy pronto el aislador ya que degenera en arco intermitente si el sistema no está provisto de la bobina Petersen que lo apaga.

Hilos de guardia y disposición de los conductores. De lo dicho resulta que la mejor solución para proteger líneas aéreas contra sobretensiones atmosféricas sería impedir que éstas entren en los conductores de líneas aéreas.

Para eliminar totalmente la influencia del campo electroestático atmosférico sobre los conductores habría que construir alrededor de ellos una jaula de Faraday, lo que es económica y técnicamente imposible . Sin embargo, la experiencia confirma que uno o dos cables colocados sobre los conductores de fase y paralelos a éstos garantizan una discreta protección contra golpes de rayo directos. Tales cables de protección denominados hilos de guardia o hilos de tierra se colocan en el extremo más alto de los soportes y se conectan mediante la misma estructura del soporte a tierra. Generalmente se utilizan como hilos de guardia cables de acero con secciones de 25 hasta 50 mm2.

La probabilidad de golpes de rayo directos en los conductores disminuye en líneas protegidas con dos hilos de guardia hasta un valor casi despreciable.

La eficiencia de la protección con hilos de guardia depende de la posición de los hilos respecto de los conductores, pero siendo las relaciones muy complicadas ya que existen muchos factores independientes, no es posible hallar una solución analítica del problema, sino solamente una aproximación experimental.

Existen varios criterios sobre la mejor posición de los hilos de guardia.

Según Schwaiger, la zona protegida por los hilos de guardia, está determinada por círculos de radios iguales a la altura sobre el suelo del hilo de protección, como está representado en la figura siguiente :.

'Líneas de tranmisión'
'Líneas de tranmisión'
'Líneas de tranmisión'

Zonas de protección formadas por 1, 2 y 3 hilos de guardia (Schwaiger)

La zona propiamente protegida, está aún disminuida por una zona de dispersión que hay que tomar en cuenta con un ancho del 2 al 4 % del radio correspondiente.

'Líneas de tranmisión'
 'Líneas de tranmisión'

La aplicación del método a un soporte para doble línea, está representado en la figura superior .

 

Se puede definir la posición de los hilos de guardia, mediante el ángulo de protección. Se considera que un ángulo menor de 40° ó 30°, entre el hilo de protección y conductores, asegura la línea contra los golpes directos . Las alturas de los soportes construidos de acuerdo con este criterio, resultan menores que las exigidas por la teoría de Schwaiger.

Con lo dicho quedarían definidos los criterios para la disposición de los conductores y de los hilos de guardia, pero los hilos de guardia colocados sobre los conductores de línea, aún si soportan el golpe de rayo, no garantizan por sí mismos una eficaz protección del sistema, si la aislación de la línea no se ajusta a las consecuencias que produce el golpe de rayo en el hilo de guardia. Como ya se dijo, el rayo da origen a corrientes del orden hasta 105A. Esta corriente que fluye hacia tierra se distribuye sobre varios soportes de línea si la línea está provista de hilos de guardia pero los soportes próximos al lugar donde cayó el rayo pueden ser recorridos por intensidades de hasta 104A. Esta corriente produce en el hilo de guardia, soporte y puesta a tierra una caída de tensión debida a la resistencia de estos elementos. 

El producto Irayo*Rtierra resulta del orden de 105 hasta 106 voltios, ya que, las puestas a tierra en los demás casos representan resistencias de 10 hasta 102 ohmios. En consecuencia el soporte toma un potencial muy alto, que puede producir una descarga secundaria entre soporte y conductor, si la aislación de los conductores de fase no soporta tal diferencia de potencial. En el momento de la descarga, el potencial de los conductores no será el correspondiente a la tensión normal de la línea, porque antes la caída del rayo las nubes influenciaron también en éstos una carga electroestática. Al caer el rayo ésta se vuelve libre y produce ondas migratorias llamadas también ondas errantes en los conductores. El valor de, la carga electroestática depende del gradiente atmosférico existente a la altura de la línea antes la caída del rayo, y, por tanto, no se puede definirla. En las consideraciones que siguen se asumirá que el potencial de los conductores de línea que están recorridos por la tensión alterna U, es decir + U máx y - U máx es cero, suposición que es más desfavorable que la realidad.

 'Líneas de tranmisión'
Distribución de la corriente de un rayo en una línea con hilos de guardia . 

           'Líneas de tranmisión'

Ondas errantes

Se llaman así las ondas de tensión que se desplazan con gran velocidad a lo largo de los conductores. Estas ondas pueden provocar elevadas sobretensiones, unas veces porque su propia amplitud sea mayor que la tensión de servicio, otras veces porque el valor de su amplitud se incremente por reflexión o por cualquier otra causa. Generalmente, estas ondas tienen forma periódica, con crecimiento rápido hasta el valor de cresta, que después decrece lentamente. Veamos como se forman las ondas errantes.

Cuando se aplica instantáneamente una tensión a un conductor, se produce una corriente de carga en dicho conductor; al mismo tiempo, progresa la tensión a lo largo del conductor, es decir, que en el conductor se origina una onda de tensión. Una onda de esta clase puede producirse, por ejemplo, a causa del efecto de un rayo descargado en la proximidad de la línea. Para el estudio simplificado de las ondas errantes se supone que, en toda la longitud del conductor, existen las mismas condiciones, es decir, que la capacidad y la inductividad están. uniformemente repartida en toda su longitud. Un conductor en estas condiciones se denomina conductor homogéneo. Si llamamos

Cl = capacidad por unidad de longitud

Ll = inductividad por unidad de longitud

'Líneas de tranmisión'

denominaremos impedancia característica o impedancia de onda a la expresión :

que, como cualquier otra impedancia, se medirá en ohmios. Generalmente LI y Cl se expresan en Henrios/km y Faradios/km, respectivamente, en cuyo caso, la impedancia característica Z estará expresada en ohmios/km.

La velocidad de la onda errante es : 'Líneas de tranmisión'

y se expresará en km/seg cuando Cl esté expresado en Faradios/km y LI en Henrios/km.

La tensión u y la corriente i de una onda están ligadas por la impedancia característica Z, según la relación :

'Líneas de tranmisión'

lo que significa que la tensión u es siempre proporcional a la corriente i.

 Por otra parte, recordemos que la velocidad de propagación de la onda es : 'Líneas de tranmisión'

lo que quiere decir que la velocidad de propagación es absolutamente independiente de la corriente y de la tensión y que solamente está determinada por la inductividad y por la capacidad de la línea.

Vamos a poner un ejemplo de aplicación. Supongamos una línea aérea de las siguientes características:

'Líneas de tranmisión'

es decir, la velocidad de la luz.

Para casos prácticos, los valores de la impedancia característica son los siguientes:

  • Conductor simple . . . . . . Z.= 470 ohmios/Km.

  • Conductor hueco . . . . . . Z = 440 ohmios/Km.

  • Conductor en haces .. . . . . Z = 330 ohmios/Km.

  • Cable aislado . . . . . . . . Z = 30 ... 60 ohmios/Km.

y los de las velocidades de propagación se expresan a continuación:

  • Línea aérea . . . . . . v = 300.000 Km./segundo

  • Cable aislado . . . . . v = 100.000 a 150.000 Km./segundo

Por lo tanto, la impedancia característica de una línea aérea es unas diez veces mayor que la de un cable aislado y la velocidad de propagación es aproximadamente la mitad en un cable. Cuando se produce una onda errante por descarga de un rayo o por cualquiera otra causa , la onda de tensión de altura u se dirige regularmente hacia ambos extremos del conductor, bajando, por lo tanto. la altura de la onda de tensión al valor u/2. Resultan así dos corrientes, dirigidas también hacia los dos extremos del conductor, y que valen :

'Líneas de tranmisión'
'Líneas de tranmisión'

Además, hay que tener en cuenta que todo conductor eléctrico tiene una resistencia óhmica propia, la cual actúa amortiguando gradualmente la onda errante, tal como se expresa en la figura siguiente :

'Líneas de tranmisión'

Amortiguación de una onda errante por efecto de la resistencia óhmica de un circuito.

Si cualquiera de estas dos ondas que parten del punto donde se ha originado la sobretensión, pasa de un conductor aéreo a un cable subterráneo o, de forma general, de un conductor a otro con distinta impedancia característica, en el punto de transición se produce una nueva onda en un sentido y una nueva onda en el otro sentido. En lo que sigue, examinaremos los casos más importantes y, para mayor simplicidad, supondremos que se trata de ondas rectangulares, de frente completamente escarpado.

Punto de transición. Cuando una onda de tensión alcanza el punto de enlace de dos líneas de diferente impedancia característica , las tensiones y las corrientes de las dos líneas deben concordar en este punto de enlace. Por otra parte, en cada una de estas dos líneas, la tensión y la corriente están ligadas por su impedancia característica. De estas relaciones se deducen leyes de refracción y de reflexión para las ondas de frente escarpado.

Cuando una onda de tensión u, se propaga por la línea de impedancia característica Z1 y alcanza una línea de impedancia característica Z2, penetra en ella con la tensión u2 que se expresa por la ecuación :

'Líneas de tranmisión'
'Líneas de tranmisión'

Características de una onda errante al alcanzar el punto de transición de dos líneas de diferente impedancia característica .

En cuanto a la onda reflejada en el punto de transición, tiene un valor :

'Líneas de tranmisión'

Para que la onda pueda proseguir su camino, el valor de la corriente es :

'Líneas de tranmisión'

y para la onda reflejada

'Líneas de tranmisión'

Estas fórmulas, y su interpretación con ayuda de la figura de arriba , demuestran que el paso de una línea de pequeña impedancia característica a una línea de elevada impedancia característica, provoca un aumento de la onda de tensión y una disminución de la onda de corriente; este es el ejemplo de una onda errante que recorre un cable subterráneo, cuando este conductor continúa por una línea aérea. De forma inversa, el paso de una elevada impedancia característica a una impedancia característica menor, provoca una reducción de la onda de tensión y un aumento de la onda de corriente; el caso más característico es el paso de una línea aérea a un cable aislado. Vamos a exponer un ejemplo de aplicación: supongamos una onda errante de 20 kV que recorre un cable cuya impedancia característica es de 50 ohmios/km, que se continúa por una línea aérea con una impedancia característica de 400 ohmios/Km. La tensión que penetra en la línea aérea vale :

'Líneas de tranmisión'

la tensión de la onda reflejada

'Líneas de tranmisión'

Línea abierta. Cuando la extremidad de una línea está abierta, se aplican igualmente las leyes de la refracción y de la reflexión, admitiendo que la línea está seguida por un línea de impedancia Z2. infinita . Como la corriente no puede seguir progresando, el valor de la onda de corriente cae a cero. El efecto es como si la onda errante se encontrase con otra de la misma magnitud, avanzando en sentido opuesto y que la compensara; por lo tanto

'Líneas de tranmisión'

Al desaparecer la corriente, es inducida una nueva onda de tensión que se compone con la onda errante inicial. La tensión al final de la línea abierta será :

'Líneas de tranmisión'
'Líneas de tranmisión'

Características de una onda errante en la extremidad de una línea abierta .

Esto significa que la corriente en el extremo de la línea resulta nula y que en dicho punto, la tensión alcanza el doble del valor de la onda de tensión que se dirige hacia la extremidad abierta. En esta extremidad, las ondas incidentes son completamente reflejadas, la onda de tensión con el mismo signo y la onda de corriente con signo contrario.

Línea en cortocircuito. Si se expresa el estado de cortocircuito por una impedancia característica Z2 nula, la aplicación de las leyes da los siguientes resultados:

'Líneas de tranmisión'

y recordando que Z2 = 0 el valor de ulr , será ulr = -ul , por otro lado, el valor de la corriente reflejada será:

'Líneas de tranmisión'

Es decir, que desde el extremo de la línea retornará una corriente

'Líneas de tranmisión'
'Líneas de tranmisión'

Características de una onda errante en el punto de cortocircuito de una línea.

 valor que también podemos obtener directamente, a partir de la expresión :

'Líneas de tranmisión'

por lo tanto, en el punto de cortocircuito, la tensión es nula y la corriente es dos veces más intensa, tal como se expresa gráficamente en la figura de arriba . 

Sobretensiones de origen externo

Ya hemos definido anteriormente este tipo de sobretensiones. Los fenómenos más importantes que cabe considerar como productores de sobretensiones son los siguientes

  • inducción electrostática

  • carga progresiva de los conductores por rozamiento del aire circundante

  • carga producida por cortar diferentes superficies de nivel eléctrico

  • descargas directas (rayos)

  • inducción producida por descargas atmosféricas cercanas

Todos estos fenómenos provocan sobretensiones exteriores, en parte de naturaleza oscilante y en parte como ondas de choque. A continuación estudiaremos estos fenómenos y las características de las sobretensiones que pueden producir.

'Líneas de tranmisión'

Fig. 1 - Curso de la tensión de una onda errante en función de¡ tiempo.

Inducción electrostática

Sabemos que un conductor cargado de electricidad obra inductivamente sobre otro cercano de tal modo que los elementos del primero situados en la proximidad del segundo y cargados con electricidad de cierto signo atraen a los del otro de signo contrario. Por lo tanto, si tal como se representa en la figura siguiente , una nube cargada positivamente se aproxima a una línea eléctrica induce en ésta, cargas eléctricas de signo contrario, es decir, en nuestro caso de signo negativo. Por el momento todavía no hay sobretensiones, ya que la nube se acerca lentamente a la línea y la carga eléctrica del mismo nombre, sobre la línea, queda repelida, evacuándose a tierra por medio. de transformadores de tensión puestos a tierra, de bobinas de contacto a tierra, etc...

'Líneas de tranmisión'

Fig. 2 - Efecto de una nube cargada positivamente sobre una línea aérea 

Pero si por causas tales a la caída de un rayo entre la nube y otra nube de carga contraria o entre esta misma nube y tierra, desaparece la carga de la nube repentinamente, entonces las cargas de la línea quedan libres, puesto que ya no son atraídas por las de la nube. Esta circunstancia provoca en la línea la aparición de sobretensiones proporcionales a la carga, que se propagan a ambos lados de la línea en forma de ondas errantes y con la velocidad de la luz, tal como hemos visto en un parágrafo anterior, que incluso pueden provocar descargas eléctricas, de naturaleza ondulatoria en los puntos mal aislados de la línea.

 

Carga progresiva de los conductores por rozamiento del aire circundante .

Cuando el aire está cargado de electricidad, las partículas electrizadas contenidas en el aire (polvo, moléculas de agua, etc ... ), por rozamiento comunican su carga a los conductores. La cantidad de electricidad así aportada es proporcional a la longitud del conductor; esta tensión resulta también tanto mayor cuanto mejor aislados estén los conductores.

Las sobretensiones producidas por estas causas son de carácter muy parecido a las provocadas por la inducción electrostática, de las que hemos hablado en el parágrafo anterior.

Carga producida por cortar diferentes superficies de nivel eléctrico .

Como la Tierra puede considerarse un cuerpo cargado, emite líneas de fuerza que terminan en nubes cargadas con potencial opuesto, o se extienden indefinidamente. Las superficies perpendiculares a estas líneas, que tienen todos sus puntos al mismo potencial, son las superficies equipotenciales, llamadas también superficies de nivel. Si un conductor corta una de estas superficies, en dicho conductor se induce una carga eléctrica.

Cuando los conductores recorren comarcas llanas o casi llanas, estas causas de sobretensión son imperceptibles con tiempo tranquilo. Por el contrario, si cerca se desplazan nubes tempestuosas o si el aire está fuertemente cargado de electricidad, las superficies de nivel se deforman y las cargas inducidas en los conductores pueden alcanzar valores importantes. Se han observado diferencias de tensión de 50 a 250 V por metro de altura.

Esta causa de sobretensiones es particularmente importante cuando los conductores pasan por las cumbres de montañas, porque en estos sitios las superficies equipotenciales están muy próxima, pudiendo haber tensiones a tierra hasta de 10 kV.

Estas sobretensiones son de carácter muy parecido a las que hemos estudiado en los dos parágrafos anteriores.

Descargas directas

Se denomina descarga directa o rayo a la que se produce en caso de tormenta entre nube y nube o entre nube y tierra. Está caracterizada por las enormes tensiones puestas en acción, por las elevadas intensidades y por su pequeñísima duración.

El origen del rayo no está, ni con mucho, bien estudiado, debido, entre otras causas porque la rapidez con que se produce este fenómeno hace muy difícil su estudio. Podemos, sin embargo, intentar una explicación a dicho fenómeno.

La atmósfera contiene siempre iones positivos y negativos; con buen tiempo, predominan los iones positivos. La masa terrestre está cargada negativamente y con el exceso positivo de la atmósfera constituye el campo eléctrico del aire.

Las tormentas sobrevienen cuando en la atmósfera se interponen capas de aire húmedo entre el suelo y otras capas superiores más frías, lo que produce corrientes de aire húmedo y caliente violentamente impulsado hacia arriba en remolinos, con enfriamiento y formación de nubes por condensación parcial del vapor de agua contenido en el aire. Parece ser que la acumulación de cargas eléctricas está causada por el rozamiento de las gotas de lluvia con el aire de la atmósfera y, en menor grado, por la fragmentación de las gotas grandes de agua en gotas más pequeñas. De esta forma, el conjunto nube-tierra viene a resultar como las dos placas de un condensador que se va cargando cada vez más. Cuando la intensidad del campo eléctrico se hace suficientemente elevada (unos 500 kV/m), el condensador así formado se descarga casi instantáneamente, originándose el rayo o descarga directa entre la nube y la tierra o, en otros casos, entre nubes cargadas con distinto signo.

Generalmente, los rayos son negativos, es decir, que se producen en nubes cargadas negativamente. A causa del elevado campo eléctrico, surgen de las nubes descargas previas en chispas de 10 a 200 m; transcurrido cierto tiempo, el canal luminoso se apaga, aproximadamente durante 0,1 milisegundos y después se forma la siguiente etapa algo más profundamente o, en otros casos, más lejos, hacia tierra, de tal forma que esta descarga previa, transcurrido 1 milisegundo, se prolonga hasta la tierra misma. Inmediatamente se forma la descarga principal que establece la compensación de cargas eléctricas entre nube y tierra.

La forma más frecuente es el rayo lineal, constituido por una o varias descargas previas y la correspondiente descarga principal. La descarga previa, llamada también rayo preparatorio, se establece con una velocidad media de unos 11.000 km/seg; el rayo principal posee una velocidad de formación de unos 60.000 km/seg. Del canal luminoso propiamente dicho sale una serie de ramificaciones en forma de descargas en haces o descargas en efluvios. Estas ramificaciones son fuertes junto al polo positivo y mucho más débiles junto al polo negativo.

El rayo superficial está caracterizado por una mayor duración de descarga, que alcanza aproximadamente a 0,1 segundo y no presenta un canal de chispas alargado sino solamente descargas en haces y en hilos luminosos. Se trata de descargas en bandas, sobre numerosas gotitas y cristales de hielo de las nubes.

Se han observado también otros tipos de rayos (esféricos, de collar de perlas, etc ... ) pero son muy raros y sin interés especial para nuestro estudio.

Vamos a dar algunas características típicas del rayo:

  • Tensión de las nubes tormentosas de 100 a 1.000 MV

  • Campo eléctrico para la formación del rayo = 500 kV/m

  • Intensidad de corriente de 10 a 50 kA (excepcionalmente, hasta 200 kA)

  • Cantidad de electricidad descargada, casi siempre inferior a 1 Amperiosegundo, aunque algunas veces se llega a 20 Amperiossegundo.

La corriente desarrollada es una onda de choque de la forma expresada en la figura siguiente y que tiene las siguientes características:

  • Duración del frente: de 1 a 10 microsegundos.

  • Pendiente de crecimiento: de 5 a 12 kA/microsegundo..

Duración de cresta media: de 10 a 50 microsegundos.

'Líneas de tranmisión'

Fig. 3 - Características de la onda de tensión de una descarga directa .

El rayo puede deteriorar las instalaciones eléctricas de forma directa (rayo directo) o de forma indirecta (rayo indirecto). El caso más frecuente, y también el más peligroso, de rayo directo es cuando la descarga cae directamente en la línea. En este caso, la línea recibe bruscamente una tensión muy elevada, con lo que pueden producirse descargas a tierra a través de los postes o del cable de tierra, si se instala este elemento de protección.

La experiencia ha demostrado que si la descarga se produce directamente sobre un poste, éste recibe aproximadamente el 60 % de la corriente del rayo y solamente el resto recorre el cable de tierra o la línea para repartirse según se indica en la citada figura siguiente :

'Líneas de tranmisión'

Fig. 4 - Reparto de las corrientes a tierra en una línea aérea cuando la descarga directa se produce sobre un poste.

Si la descarga se produce en un vano entre dos postes, el reparto de las corrientes se realiza como está indicado en la figura siguiente :

'Líneas de tranmisión'

Fig. 5 - Reparto de las corrientes a tierra en una línea aérea cuando la descarga directa se produce en el centro de un vano entre postes.

Por lo tanto, y de acuerdo con lo dicho en el párrafo anterior, la máxima intensidad en un poste alcanza un 60 % de la del rayo. En el caso expresado en la figura 4 se han registrado corrientes de poste de hasta 60 kA de valor de cresta. Si se supone, por ejemplo, que la resistencia de paso del poste con relación a tierra es de 20 ohmios, esto exige que el poste soporte un potencial de : 

60 x 20 = 1.200 kV

A causa de esta elevadísima tensión, puede suceder que se produzcan descargas de retroceso desde el poste hacia las líneas. Para evitar estas descargas, la resistencia de paso del poste debe ser lo más reducida posible, de forma que siempre la resistencia de paso del poste a tierra resulte menor que la tensión de descarga superficial por choque de los aisladores. Por ejemplo, si se utilizan aisladores normales, para una línea de 110 kV, la resistencia de paso ha de ser inferior de 15 ohmios y, para una línea de 50 kV, inferior de 8 ohmios. Es muy difícil obtener las resistencias de derivación a tierra francamente bajas, que se necesitan para evitar las sobretensiones indicadas; con los medios de protección actualmente empleados,  se consiguen desviar a tierra hasta un 97 % de las descargas. Entonces, se puede dimensionar la tierra del poste para una corriente de 40 a 50 kA.

Cuando un rayo directo cae sobre un poste de madera, generalmente se producen grietas y resquebrajaduras, con el peligro de que la corriente ulterior de servicio pueda hacer que arda el poste.

Cuanto más seguras son las líneas, más expuestas están las estaciones de transformación a perturbaciones, ya que pasan a ser los puntos más débiles de la red. Estas perturbaciones pueden estar originadas por rayos directos o por ondas errantes debidas a descargas en otros puntos de la línea. La tensión de la onda incidente corresponde a la tensión de descarga superficial por choque de los aisladores de la línea aérea. Téngase en cuenta que, tal como se dijo al estudiar las ondas errantes, en las estaciones de cabecera, la onda se refleja y, por lo tanto, se dobla la tensión. El efecto corona y la resistencia óhmica de las líneas amortiguan la onda errante en su camino por la línea. Ocasionalmente, también se producen descargas directas, con las consiguientes averías, en los cables subterráneos, aunque parezca que están protegidos por la misma tierra contra los efectos de estas descargas. Sin embargo, estas perturbaciones debidas a rayos se originan solamente en los cables tendidos en suelos poco conductores; en estos casos, la descarga se propaga a lo largo de la armadura y de la envoltura de plomo, en busca de los puntos en que la tierra ofrece una buena conductividad eléctrica.

Efectos de inducción producidos por descargas atmosféricas.

En el proceso de formación del rayo, se producen numerosas descargas entre nubes con cargas de signos contrarios, o entre nubes y tierra.

Además de resistencia óhmica, todo circuito eléctrico tiene autoinducción y capacidad, por lo que al descargar un rayo en la proximidad de un conductor o producirse una descarga entre las nubes que se hallen sobre él, se modifica el estado eléctrico del conductor, induciéndose en él, tensiones de carácter oscilante, las cuales provocan la producción de considerables sobretensiones.

Por otra parte, los rayos presentan muchas veces, numerosas ramificaciones, y estas descargas laterales actúan induciendo también sobretensiones. Finalmente, hay que tener en cuenta que la corriente de descarga produce líneas de fuerza que, según la dirección de la descarga con relación al conductor, inducen en éste tensiones de magnitud variable.

Al contrario de lo que ocurría con otras causas de sobretensión, la debida a ésta que estamos estudiando tiene carácter oscilante.

Sobretensiones de origen interno

Estas sobretensiones están provocadas por fenómenos dependientes de los elementos de la instalación. Están producidas por modificaciones de estado en las redes, que pueden resultar de la presencia de defectos o de maniobras de acoplamiento. Las sobretensiones de origen interno pueden clasificarse en dos grandes grupos, que estudiaremos separadamente:

a) Sobretensiones de maniobra.

b) Sobretensiones de servicio

Sobretensiones de maniobra

Están producidas por los bruscos cambios de estado de una red, a causa de maniobras normales de acoplamiento de redes, conexión y desconexión de disyuntores, etc... estando la instalación a plena marcha. En resumen, cuando un sistema con resistencia óhmica, inductividad y capacidad pasa bruscamente de un régimen permanente a otro régimen permanente distinto. Por lo tanto, se trata de fenómenos transitorios y la transición de uno a otro régimen permanente va siempre acompañada de ondas de tensión que tienen un carácter oscilatorio amortiguado, desapareciendo cuando han pasado algunos periodos, a causa de las resistencias óhmicas , las corrientes de Foucault, etc... que actúan como amortiguadores de las ondas.

La figura 1 representa lo que ocurre en los primeros instantes cuando un conductor no sometido a tensión ni a corriente se pone bruscamente en comunicación con un circuito de corriente alterna, de tensión U; este sería el caso, por ejemplo, de un disyuntor que cierra sobre

la red una línea con carga nula. 'Líneas de tranmisión'

Fig. 1 - Características de la onda de tensión producida, cuando un conductor no sometido a tensión ni a corriente, se pone bruscamente en comunicación con un circuito de corriente alterna bajo tensión.

Una onda oscilante de altura de la tensión U y de forma rectangular, con el frente escarpado, avanza por el conductor con una velocidad del orden de la velocidad de la luz hacia el otro extremo y al reflejarse en él duplica su altura (2 U). Con esta altura retrocede y oscila unos instantes adelante y atrás hasta que la acción amortiguadora del conductor va extinguiéndola. Si en el extremo del conductor se halla el arrollamiento de un transformador descargado o de un motor de alta tensión, esta onda entra en la máquina que, como tiene resistencia, autoinducción y capacidad, puede considerarse como un conductor en prolongación. Como la altura de la onda es igual a la tensión de trabajo, no representa un peligro inmediato por lo que se refiere al aislamiento del bobinado con relación a tierra. Pero aumenta considerablemente la tensión relativa entre bobinas contiguas, porque la brusca elevación de tensión representada por el frente de onda afecta sucesivamente a todos los elementos del arrollamiento y por lo tanto, en un instante dado, distinto para cada uno de los puntos del arrollamiento, hay una diferencia de tensión que corresponde a la totalidad de la tensión de fase entre dos espiras contiguas .

Como la duración de esta sobretensión es muy corta y la cantidad de electricidad que puede conducir es muy reducida, el aislamiento entre espiras no resulta muy forzado como ocurriría con otras diferencias de tensión menores pero estacionarias.

Como consecuencia, en los puntos más débiles del aislamiento pueden producirse pequeñas perforaciones, que quedan ignoradas durante mucho tiempo; pero si ocurren frecuentes interrupciones de este tipo, al cabo de cierto tiempo puede producirse la ruptura completa del aislamiento, averiando seriamente los transformadores, cables, etc...

Cuando se desconecta un cortocircuito por medio de un disyuntor, las sobretensiones que aparecen no son peligrosas. Pero si se conectan y desconectan líneas funcionando en vacío, las cuales se comportan como condensadores, debido a la reactancia de dispersión de generadores y transformadores nacen sobretensiones oscilantes que pueden alcanzar un valor 3 veces mayor que el de la tensión de servicio. Estas sobretensiones son debidas a reencendidos en el arco cortado por el disyuntor. Efectivamente, en caso de desconexión de una línea, el  disyuntor interrumpe en el momento en que la corriente es nula, es decir , cuando la tensión alcanza , precisamente su valor máximo . Mientras que la tensión de la línea seccionada conserva este valor, la tensión de alimentación comienza a oscilar a la frecuencia de servicio. Como consecuencia, la tensión en los bornes del disyuntor aumenta de valor, primero lentamente, después cada vez más deprisa. Si la solicitación de tensión es muy fuerte, se produce un reencendido del arco y, por consiguiente, oscilaciones en la red. Teóricamente, las tensiones podrían alcanzar valores muy elevados aunque en la práctica, estos valores no se alcanzan nunca, debido a los elementos amortiguadores del circuito.

También la desconexión de transformadores funcionando en vacío puede provocar sobretensiones que, en este caso, son debidas a la ruptura del arco en el disyuntor. En efecto, debido a su impedancia la corriente en el transformador no puede anularse inmediatamente después de la desconexión, ya que circula por la capacidad propia del transformador, cargándola. Consideraciones de orden energético demuestran que la tensión de carga de esta capacidad, es decir, la sobretensión, resulta tanto más elevada cuanto más pequeña sea la capacidad del transformador. Las sobretensiones producidas pueden provocar descargas superficiales en los pasatapas, aunque estas descargas resultan, por lo general, inofensivas ya que, por haberse desconectado el transformador, no circula ninguna corriente, de forma que no puede cebarse un arco eléctrico. La sobretensión es mayor si el transformador se desconecta por el lado de baja tensión y, además, resulta tanto más elevada cuanto más enérgica sea la acción extintora del disyuntor correspondiente. Las sobretensiones originadas por esta causa están comprendidas entre valores de 4,5 a 7 veces el máximo de la tensión nominal.

Sobretensiones de servicio

También se producen sobretensiones cuando se modifica el régimen permanente de una red por causas tales como variaciones repentinas de la tensión, descargas atmosféricas, cortocircuitos, derivaciones a tierra, etc...

Cuando se produce un cortocircuito se origina una sobretensión expresada por la ecuación

'Líneas de tranmisión'

procedente de la transformación de la energía magnética potencial

'Líneas de tranmisión'

en energía eléctrica : 'Líneas de tranmisión'

Esta sobretensión alcanza un valor tanto más elevado cuanto más rápida sea la apertura del circuito.

Las perturbaciones del estado eléctrico por efecto de descargas atmosféricas producidas cerca de los conductores también determinan ondas de sobretensión. Estas ondas corren por la línea en ambos sentidos, desde el punto donde se inician. Todos los cambios de dirección de los conductores, los aisladores de entrada, los arrollamientos de los transformadores de medida, los arrollamientos de generadores y transformadores, etc... son otros tantos puntos donde las ondas errantes se reflejan parcial o totalmente, duplicando su altura. Si la estructura del circuito atravesado por estas ondas ocasiona varias reflexiones, puede ocurrir que la altura de la sobretensión exceda en mucho del doble de la tensión de trabajo, lo cual representa un evidente peligro para el aislamiento de la instalación. Los casos más desfavorables se presentan cuando los diferentes trozos de una línea tienen capacidades muy distintas entre sí.

La amplitud de las ondas errantes producidas depende de la tensión de trabajo y su frecuencia, de la capacidad y de la autoinducción del circuito. Por lo tanto tiene una particular importancia evitar la producción de resonancia entre la frecuencia de las oscilaciones libres y la frecuencia de la corriente normal . Una causa que origina muy peligrosas sobretensiones es la derivación a tierra, materia que, por su importancia, vamos a estudiar separadamente.

BIBLOGRAFIA

http://www.sapiensman.com/sobretensiones/sobretensiones1.htm

http://www.victoriamx.com/ELECTROTIPS/electricidad.htm