En los sistemas eléctricos, por distintas causas se presentan sobretensiones, que pueden producir colapsos de la aislación y en consecuencia daños y/o pérdida del servicio.

La aislación debe ser elegida económicamente, sobredimensionarla implica aumentos de tamaño, y peso de los cables y equipos, aumento de la resistencia al flujo de calor (en consecuencia disminución de las densidades de corrientes y del aprovechamiento), factores que se reflejan todos en mayores costos.

Por otra parte, la aislación debe estar dimensionada para soportar las solicitaciones que efectivamente se presentarán; un ulterior sobredimensinamiento no implica beneficio alguno.

Las sobretensiones que se presentan dependen de factores externos a la red, de características de componentes de la red, y de características de diseño de la red.

El problema debe ser correctamente planteado desde el comienzo del diseño, en forma tal de lograr que las sobretensiones sean mínimas, evitando configuraciones de la red que puedan causar sobretensiones, eligiendo componentes adecuados por sus parámetros y formas de operación, previendo y proyectando las protecciones oportunas.

Uno de los factores que más influye en la magnitud de las sobretensiones es la conexión a tierra del centro de estrella del sistema, a medida que la impedancia de tierra disminuye se reduce el valor de las sobretensiones que se pueden presentar.

Pero a su vez la reducción de la impedancia de tierra aumenta las corrientes de falla monofásicas, es así que la elección del sistema de puesta a tierra de la red es un compromiso entre condiciones de aislación y corrientes de cortocircuito aceptables.

En un sistema trifásico, equilibrado, la tensión hacia tierra es la tensión de fase

Efase = Elínea / raíz de tres

Se denomina sobretensión a toda tensión, función del tiempo, que supera el valor de cresta de la tensión más elevada.

Una sobretensión fase-tierra se refiere al valor de cresta de la tensión simple Um raíz de dos / raíz de tres.

Una sobretensión entre fases en valor relativo se indica en la forma K raíz de tres y se refiere también a Um raíz de dos / raíz de tres.

Las causas de sobretensiones pueden ser varias, y se enumeran a continuación las más frecuentes.

Los cables de guardia o los conductores de fase pueden ser afectados por descargas atmosféricas, en algunos casos la descarga incide en los cables de guardia y se propaga (arco inverso) a los conductores.

Estas descargas son causa de ondas de sobretensión que se desplazan por las líneas del sistema, alcanzando las estaciones eléctricas y solicitando los elementos de la red.

Una nube cargada produce sobretensiones estáticas de inducción capacitiva, y al desplazarse o descargarse la nube la sobretensión en la línea se desplaza en forma análoga a las sobretensiones atmosféricas.

Efectos análogos al frotamiento, debidos al viento (seco) producen cargas electrostáticas en las líneas.

Pueden producirse contactos entre una parte del sistema de tensión inferior, con un sistema de tensión más elevada, y en consecuencia se presentarán peligrosas sobretensiones en el sistema de tensión inferior.

Las vibraciones pueden producir condiciones de falla intermitente (cortocircuitos repetidos) y causar sobretensiones de importancia por carga de capacitancias.

Las conexiones en autrotransformador en casos de falla del circuito, del lado alimentación, implican sobretensiones del lado carga que pueden ser inadmisibles.

Capacitancias e inductancias pueden producir condiciones de resonancia y en consecuencia sobrecorrientes y/o sobretensiones, como generalmente hay núcleos de hierro en muchos casos se pueden presentar fenómenos de ferroresonancia.

Las maniobras de interrupción, son origen de sobretensiones, de mayor o menor importancia según sea la forma de interrumpir del aparato, y las características del circuito.

El establecimiento de corriente en ciertos circuitos, el restablecimiento de corriente (durante una interrupción) pueden dar lugar a sobretensiones.

Las interrupciones bruscas de cargas, crean también sobretensiones en determinados puntos del sistema.

Analizando el origen pueden clasificarse en sobretensiones de origen externo y de origen interno.

Analizando su duración, en cambio, se puede decir que son transitorias (de breve duración), temporarias (de duración importante) o permanentes.

Analizando su forma se reconocen como impulsivas o periódicas (de frecuencias bajas).

La clasificación por las características de duración y forma es particularmente importante porque la normalización de ensayos, cuyo objeto es demostrar que los equipos pueden soportar estas solicitaciones, se basa precisamente en dicha clasificación.

Así se justifican los ensayos con sobretensiones:

- de frecuencia industrial, que simulan condiciones originadas en contactos, desconexión de cargas, resonancia, etc.

- de maniobra, debidas a esta causa, y que se simulan con impulsos de tensión que crecen en tiempos de los 100 microsegundos y duran del orden de los 1000 microsegundos.

- de impulso, que simulan descargas atmosféricas que crecen en tiempos del orden de 1 microsegundo y duran del orden de 50 - 100.

Las solicitaciones que estas diferentes sobretensiones producen son totalmente distintas, y en consecuencia los aparatos deben tener características adecuadas para soportarlas.

Es importante que el equipamiento no sufra daños ni envejecimientos prematuros por causa de estas sobretensiones.

La amplitud de las sobretensiones está especialmente ligada a la conexión más o menos efectiva del neutro del sistema a tierra.

Si el sistema está aislado de tierra, en general las tensiones son elevadas ya que no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de secuencia cero, en estos casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas estáticas.

En casos de neutro aislado también los contactos con circuitos de tensión superior son muy peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensión superior, y su desconexión.

En el diseño se deben evitar las condiciones que produzcan situaciones de peligro, de contactos, de arcos intermitentes, se deben controlar que las sobretensiones por condiciones transitorias (desconexión de las cargas, etc.) por maniobras, sean moderadas.

Las sobretensiones de origen interno están ligadas a la tensión nominal del sistema a través de algún coeficiente que depende de la puesta a tierra.

En cambio, las sobretensiones de origen externo tienen una amplitud que no depende de la tensión nominal del sistema, al menos en principio.

En su propagación por las líneas la amplitud de las sobretensiones queda limitada por fenómenos de efecto corona, o por descargas en determinados puntos.

Para limitar el valor de estas sobretensiones, y proteger al sistema de las solicitaciones debidas a descargas atmosféricas se instalan descargadores.

A veces a los descargadores se les asigna la función de drenar también las sobretensiones de maniobra.

Con este nombre se trata la selección de la capacidad de soportar las solicitaciones dieléctricas que deben tener materiales, equipos e instalación en función de las tensiones que pueden aparecer en las redes considerando también las características de los dispositivos de protección disponibles.

El enfoque tradicional de este problema consiste en evaluar la sobretensión máxima que se presenta en un punto de la red y elegir, con carácter ampliamente empírico, una tensión de ensayo que presente un margen de seguridad conveniente.

En muchos casos la elección del nivel de aislación es hecha simplemente en base a experiencia adquirida en redes análogas.

Una forma más elaborada de enfrentar el problema conduce a considerar el carácter de fenómeno aleatorio que tienen las sobretensiones.

Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el punto de vista de la economía y del servicio la probabilidad de que se presenten solicitaciones que causen daños al equipo o afecten la continuidad del servicio.

No es económico realizar equipos y sistemas con grados de seguridad tales que permitan soportar sobretensiones excepcionales.

Se admite que aún en un material bien dimensionado puedan producirse fallas y el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterio económico basado en costo y continuidad del servicio.

La coordinación de la aislación está esencialmente basada en limitar el riesgo de falla, en lugar de fijar a priori un margen de seguridad.

Debe reconocerse que los ensayos no permiten garantizar el 100 % de seguridad contra fallas.

La aislación puede ser externa, en aire atmosférico o de superficies en contacto con la atmósfera sometidas a la influencia de condiciones atmosféricas, polución, humedad, etc.,; interna, sólida, líquida o gaseosa, protegida de la influencia atmosférica.

La aislación externa puede ser para interior, protegida de la intemperie, o para exterior.

Se dice que una aislación tiene capacidad de regeneración cuando después de una descarga disruptiva recupera íntegramente sus características aislantes.

La capacidad de regeneración distingue fundamentalmente las aislaciones gaseosas, de las sólidas, una perforación del dieléctrico, para estas últimas, es un daño permanente, en cambio una descarga en gas (eventualmente en aire) una vez terminada, y transcurrido cierto tiempo, generalmente breve, no afecta las características de la aislación.

En consecuencia, mientras que las aislaciones en aire pueden fallar, las aislaciones sólidas no deben fallar; en otras palabras, los puntos débiles de la instalación deben tener capacidad de regeneración.

Las características de aislación de un aparato están ligadas a :

- La tensión nominal de la red, valor eficaz de la tensión entre fases a la que se refieren algunas características de funcionamiento de la misma.

- Tensión más elevada de la red, que aparece en un instante cualquiera y en cualquier punto de la red en condiciones de explotación normales. Este valor no tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias (debidas a fallas o desconexiones).

El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensión más elevada sea mayor o igual a la tensión más elevada de la red en la cual se utilizará el material.

Mientras que por encima de los 100 kV la tensión más elevada de la red coincide con la del material utilizado, por debajo de dicha tensión estos valores pueden ser distintos, lógicamente la tensión más elevada de la red debe ser igual o menor de la del material.

Se dice que el material es sometido a una sobretensión cuando la tensión en función del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra, y entre fases que corresponden a la tensión más elevada del material.

Las sobretensiones son siempre fenómenos transitorios.

Un sistema correctamente realizado debe evitar que se produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto, con sistemas de tensión superior, fallas intermitentes, conexiones en autotransformador, condiciones de ferroresonancia.

Las únicas sobretensiones que se presentan son entonces:

- Tensión a frecuencia industrial en condiciones normales.

- Sobretensiones temporarias.

- Sobretensiones de maniobra.

- Sobretensiones atmosféricas.

Para las aislaciones sujetas a contaminación o envejecimiento, el comportamiento frente a esta solicitaciones a lo largo de la vida varía.

Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento.

Los descargadores son aparatos destinados a proteger el material eléctrico contra las sobretensiones transitorias elevadas, drenándolas y limitando su duración, y eventualmente la amplitud de la corriente subsiguiente.

Están formados esencialmente por un espinterómetro (o más) y un elemento limitador de corriente (o más).

Se tienen descargadores de resistencia variable, no lineal y descargadores a expulsión.

Los descargadores de óxido de zinc son los más modernos y su efecto puede ser comparado al de los diodos zenner.

En los descargadores de resistencia variable la descarga inicia en el espinterómetro, la corriente crece a valores elevados y luego disminuye siendo limitada por el resistor cuya resistencia aumenta con la disminución de la corriente, finalmente en el mismo espinterómetro se produce la interrupción.

El espinterómetro puede tener configuraciones especiales que tienden a alargar el arco, a producir un soplado; en ciertos casos se tienen elementos que producen un soplado magnético, y esto contribuye a facilitar la interrupción.

En cambio, los descargadores a expulsión poseen una cámara de interrupción en la cual el arco es confinado, entra en contacto con un material que desprende gas, y el arco se apaga produciéndose así la interrupción de la corriente.

Los descargadores de óxido de zinc pueden tener espinterómetro o no, en todos los casos el efecto del funcionamiento del descargador es una sensible limitación del valor de la tensión en sus bornes.

Habitualmente se conectan entre los conductores de la red y tierra, pero en ciertos casos se los conecta entre bornes de los aparatos protegidos (entre los conductores).

Las características de los descargadores son:

- Tensión nominal, que es el valor máximo especificado de tensión eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes para la cual el descargador funciona correctamente. Esta tensión puede ser aplicada en forma continua sin modificar sus características de funcionamiento.

Como generalmente el descargador se instala entre fases y tierra, la elección de su tensión nominal debe tener en cuenta el grado de puesta a tierra de la red en el punto en que el descargador se instala.

Cuando la puesta a tierra está asegurada, los descargadores pueden ser para el 80 % de la tensión compuesta del sistema, a medida que la puesta a tierra es menos efectiva, este valor aumenta pudiendo llegar a ser necesario 100 % o más.

- Frecuencia nominal, no requiere explicaciones.

Las ondas de impulso (tensiones o corrientes) se caracterizan por ser unidireccionales, sin oscilaciones apreciables, que crecen rápidamente hasta el valor máximo y caen luego a cero con eventuales pequeñas ondas de polaridad opuesta.

Los parámetros que definen una onda de impulso son los siguientes:

- Polaridad.

- Valor de cresta (máximo).

- Duración del frente (que precede a la cresta) T1.

- Duración de la cola hasta el semivalor T2.

Las ondas rectangulares de impulso en cambio crecen rápidamente, se mantienen en un valor prácticamente constante durante un tiempo largo y caen rápidamente a cero.

Los parámetros que definen esta onda son:

- Polaridad.

- Valor de cresta.

- Duración convencional de la cresta.

- Duración convencional total.

Se dice que una onda de tensión de impulso es plena cuando no es interrumpida (cortada) por una descarga, contorneo o perforación, la onda cortada puede serlo en el frente, en la cresta, o en la cola, y a partir del instante de corte la tensión cae bruscamente.

La onda de sobretensión normalizada que simula la descarga atmosférica es 1.2/50 microsegundos.

La onda de sobretensión cuyo frente convencional es superior a 30 microsegundos se clasifica como sobretensión de maniobra.

Inmediatamente después que inicia la descarga del explosor, circula la corriente de descarga, que es causada por la sobretensión, la tensión de la red causa la corriente subsiguiente que se produce ni bien desaparece la tensión de descarga.

La corriente de descarga normal se define para una onda 8/20 microsegundos.

Volviendo a las características del descargador se debe citar:

- Tensión de descarga a frecuencia industrial (cebado), es el valor eficaz de tensión que produce la descarga de los espinterómetros.

Logicamente, esta característica del descargador debe superar a la máxima tensión a frecuencia industrial que puede presentarse aún en condiciones anormales.

En ciertos casos también deben tenerse en cuenta las sobretensiones de maniobra, que pueden solicitar en modo inaceptable al descargador.

- Tensión de descarga a impulso (onda plena), es el valor más elevado que se obtiene con una onda de impulso antes de que se produzca la descarga.

Contrariamente esta característica debe ser la menor posible, ya que aumenta así el margen de protección.

- Tensión de descarga sobre el frente de onda.

- Duración de la descarga, tiempo comprendido entre el cero convencional y el instante de descarga.

- Tensión residual, es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga.

- Nivel de protección, tensión más elevada que se presenta cuando se somete al dispositivo de protección a la solicitación debida a un impulso.

- Factor de protección, es la relación entre el nivel de protección y el valor de cresta de la tensión nominal del dispositivo de protección.

Las características de protección están dadas por las siguientes combinaciones:

- Curva tensión-tiempo de descarga en onda de impulso normal.

- Curva tensión residual-corriente de descarga.

- Curva de tensión-tiempo de descarga para sobretensiones de maniobra (para tensión superior a 100 kV).

Una vez comenzada la descarga, por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales, corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas, puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente; para evitar la explosión del descargador se prevén elementos de desconexion o dispositivos de alivio de presión, cuya función es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosión.

Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufrirá en su vida, y permiten controlar la calidad del diseño y uniformidad de la producción.

Algunos ensayos no son representativos sobre algunos tipos de aparatos, en cada caso las normas y recomendaciones de ensayo fijan los criterios a seguir.

- Ensayo de tensión de descarga a frecuencia industrial.

Los descargadores de óxido de zinc, sin espinterómetro no pueden soportar este ensayo, para ellos en cambio es importante un ensayo de estabilidad térmica a la tensión máxima que les corresponde soportar.

- Ensayo de descarga a impulso, con impulsos de valor creciente se determina la curva tensión-tiempo, tanto para ondas de impulso atmosférico, como para maniobras si corresponde.

- Ensayo de verificación de tensión residual, con corrientes de forma 8/20 microsegundos, entre 0,5 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos.

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud, se aplica un impulso de corriente 4/10 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador. Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensión de descarga a frecuencia industrial no debe haber prácticamente variado.

- Ensayos con corrientes de larga duración (2000 microsegundos), se aplican 20 descargas, y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior.

- Ensayo de funcionamiento, éste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultáneamente una tensión de impulso y una tensión de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las máximas.

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificación que está ligada a la corriente nominal de descarga, y que define los ensayos que se les hacen:

- Descargadores para estación (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso.

- Descargadores intermedios o de distribución para aparatos (5 kA series A y B).

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (2.5 - 1.5 kA).

Los descargadores de expulsión son menos nobles, y menos costosos, no se utilizan para protección de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos:

- Para distribución (con capacidades de descarga de 30 ó 65 kA).

- Para transmisión - líneas (65 kA).

Las características en general son análogas, sin embargo, por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalación:

- Corriente presunta de cortocircuito máxima y mínima, teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexión a tierra.

- Factor de potencia o relación R/X.

- Tensión transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia).

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicación de un interruptor en ese punto, y efectivamente, el descargador de expulsión se comporta como tal, creando un cortocircuito y luego interrumpiéndolo.

El campo de aplicaciones de estos últimos aparatos tiene entonces algunas restricciones.

La tensión que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido, por las caídas de tensión que se producen en los conductores de conexión del descargador a la línea y a la tierra y por las condiciones de propagación de la onda.

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles, y que la red de tierra sea un punto común entre el descargador y el elemento protegido; en la medida en que la realización constructiva se aleje de esta condición la tensión sobre el elemento protegido sea mayor.

Asimismo es importante que el descargador esté próximo al elemento que debe proteger para que la protección tenga máxima eficiencia; en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente, la protección resultará menos eficiente.

Una instalación es realizada con un conjunto de aparatos eléctricos unipolares y/o tripolares, que se unen entre sí por medio de conductores, barras.

En muchos casos la instalación entre barras (de distintas fases), entre partes metálicas en tensión de los aparatos, y partes metálicas a tierra es en aire.

En algunos casos los conductores están protegidos por una aislacion, que sin embargo solo cumple la función de evitar fallas francas, pero la aislacion efectiva se consigue en aire.

Las distancias en aire entre puntos en tensión, y entre éstos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas.

Los aparatos eléctricos, que se someten a ensayos, tienen en cuenta en su diseño distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurrirán en servicio.

La instalación montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos, y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias mínimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares.

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensión que deben ser soportadas, de la forma de los electrodos, y de la probabilidad de descarga que se acepta.

El dimensionamiento de la aislación implica determinar la distancia mínima entre un elemento que está bajo tensión y la tierra, y entre dos elementos que están bajo tensión; esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalación, consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias.

Las normas recomiendan distancias mínimas que permiten asegurar una buena aislación, pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser insuficientes, en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos, o aumentar la distancia.

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislación, pero también para el buen comportamiento desde otros puntos de vista, radiodisturbios, arcos eléctricos, etc., así es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan.

Las distancias deben asegurar aislación aún en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento y/o cortocircuitos.

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condición normal.

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eléctrico de la instalación es la distancia de aislación superficial.

Esta distancia es determinada por la tensión máxima de servicio y el nivel de contaminación.

El nivel de contaminación puede ser nulo, en zonas sin industrias ni habitaciones, lejos del mar y con lluvias, donde los aisladores quedan limpios, y va en aumento en las zonas industriales, y en la proximidad del mar.

Los aisladores se recubren de sal, humo, o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio.

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la línea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cm/kV eficaz.

La tensión de referencia para la línea de fuga es la máxima fase-tierra en valor eficaz.

La aislación del neutro de la red, o su conexión a tierra directa, o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extinción - Petersen) constituye una cuestión que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista, y que permite llegar a distintas soluciones según el criterio que se fije.

Cuando en un sistema trifásico se produce una falla a tierra de una fase, se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simétricas.

En los sistemas con neutro aislado, el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no está definido.

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean, y en consecuencia el potencial quedará definido de esta manera, si aparece, por ejemplo, un cuerpo cargado, una nube, sobre una línea aérea, el potencial de esta última variará.

El sistema está conectado a tierra a través de capacidades, sin embargo se denomina sistema con neutro aislado, ya que no tiene una conexión a tierra intencional.

La corriente de falla está limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes, y eventualmente la resistencia de la falla, esta corriente es independiente (prácticamente) del punto en que ocurre la falla.

El punto de falla, si está conectado a tierra a través de cierta resistencia, asume una tensión que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro.

En un sistema con neutro aislado, la aparición de una falla no afecta la operación pero pone al sistema en una condición muy riesgosa ya que la segunda falla creará una condición de cortocircuito bifásico, con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas líneas.

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado, para minimizar riesgos.

En la práctica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales, que sólo se utilizan en redes de distribución de pequeña magnitud.

Si se utiliza este sistema se debe:

- Tener un seguro aviso de falla.

- No funcionar en falla más de cierto tiempo.

- Tener puestas a tierra seguras, que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas.

- Máxima eficiencia en el mantenimiento.

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra rígidamente (a través de una impedancia nula), las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla.

Las corrientes de falla son relativamente elevadas, las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas. El sistema no puede funcionar con falla, y la corriente de falla se utiliza como orden de actuación de las protecciones, y se aísla la falla. Si se utiliza este sistema se debe:

- Eliminar rápidamente la falla.

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla.

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos, y en especial los interruptores.

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla, y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia, fallas monofásicas a tierra, para esto se conecta el neutro a tierra a través de una impedancia (resistencia o reactancia).

La limitación de la corriente de falla monofásica es necesaria también para evitar solicitaciones dañinas en los generadores, e interferencias en las redes de comunicación.

Se puede lograr una buena detección de la falla aún con corrientes relativamente pequeñas, del orden de las corrientes normales y aún menos (10 - 50 A).

Esta situación se consigue con una resistencia de puesta a tierra, o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra, y con una resistencia en el secundario.

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 % de la falla trifásica.

También con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden, pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema así concebido son excesivas, y la solución sólo puede aplicarse en baja tensión.

Cuando la corriente de falla monofásica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifásica, la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor óhmico.

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables.

Un método de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado, pero no presenta los inconvenientes, es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen).

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva, en situación de falla, de manera de que la corriente de falla es nula, y la corriente se extingue.

Como prácticamente el 80 % de las fallas son monofásicas, si no son fallas permanentes se autoextinguirán.

Si la capacitancia del sistema varía, porque varía la configuración o la extensión de la red, la bobina deberá sintonizarse.

Los límites de aplicabilidad de este sistema están fijados por las posibilidades de sintonización, de potencia del reactor, de extensión de la red y del valor de la tensión.

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Y/y cuyo primario está rígidamente a tierra, ya que pueden producirse fenómenos de resonancia.

Los factores que se consideran en estos análisis son:

- Sensibilidad y selectividad de los relés de tierra.

- Limitación del valor de la corriente de falla.

- Posibilidad de protección económica con descargadores.

- Limitación de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra.

Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd, conectado a tierra el neutro de la estrella, o un reactor en conexión Z.

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero, con lo que resulta un efecto adecuado.

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra, sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa, la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentación para que no se presenten situaciones con neutro aislado.

La conexión del neutro a tierra también tiene influencia en la solicitación de la aislación de los elementos de la red, y en particular los descargadores.

Para un punto de la red, y para un esquema dado de la red, en caso de falla a tierra, de una fase (o más) en un punto cualquiera de la red, se presenta cierta tensión (excluido el período transitorio) entre fase sana y tierra. Este valor referido a la tensión fase-tierra cuando no se tiene falla, da el factor de falla a tierra.

Cuando XO/X1 es menor de 3 y RO/X1 es menor de 1, el factor de falla a tierra no es superior a 1,4.

Estas relaciones se evalúan en base al circuito equivalente de la red, en el que se han representado las máquinas rotantes con sus reactancias subtransitorias.

En los sistemas de tensión nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislación según se tenga el neutro a tierra o no.

Por esta razón, para reducir el nivel de aislación, o al menos las solicitaciones, se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra.

En cambio, en tensiones medias no existen casi ventajas económicas en la aislación (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla, manteniéndolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinación de las protecciones, y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra.

En bajas tensiones las dificultades de detección de fallas homopolares, hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado, entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace rígida.

A modo de resumen puede decirse lo siguiente:

La conexión a tierra sólida:

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias.

- Protege de sobretensiones impulsivas.

- Permite fácil selectividad frente a fallas a tierra.

- Permite seguridad de servicio.

- La magnitud de la corriente de falla es elevada.

La conexión a tierra con impedancia, y al límite el sistema con neutro aislado:

- Dificulta la ubicación de la falla.

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofásicas.

En un sistema con el neutro a tierra a través de una impedancia, y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofásica y trifásica.

If1 = 3 * E / (Z1 + Z2 + Z0 + 3 * ZG)

If3 = E / Z1

Relacionando ambos valores:

If1 / If3 = 1 / (1/3 + Z2 / (3 * Z1) + Z0 / (3 * Z1) + ZG / Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales.

Z1 = Z2

En consecuencia:

If1 / If3 = 1 / (2/3 + (Z0 + 3 * ZG) / (3 * Z1))

La corriente de falla monofásica será igual a la trifásica si se cumple:

Z1 = Z0 + 3 * ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa, por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensión conectado rígidamente a tierra, y con elevada impedancia de la red del lado de alimentación, en estos casos la corriente de falla monofásica puede ser superior a la trifásica.

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia, entonces la reducción de la corriente de falla monofásica respecto de la trifásica será también importante.

Las tensiones de secuencia directa, inversa, y cero durante la falla son:

U1 = E - I1 * Z1

U2 = - I2 * Z2

U0 = - I0 * (Z0 + 3 * ZG)

La tensión que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar, y si la relacionamos con la tensión que se presenta en la red cuando no hay falla resulta:

U0 / E = (Z0 + 3 * ZG) / (Z1 + Z2 + Z0 + 3 * ZG) = 1 / (1 + 2 * Z1 / (Z0 + 3 * ZG))

La corriente de falla monofásica y la tensión del neutro son una función de:

(Z0 + 3 * ZG) / Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensión en las fases sanas:

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 * U1 + alfa * U2

UT = U0 + alfa * U1 + alfa^2 * U2

El mayor valor de tensión resulta entre US y UT

U = -raíz(3) / 2 * E * (raíz(3) * Z0 - j * (Z0 + 2 * Z2)) / (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 << X1; R2 << X2; R1 = R2 = 0; X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U / E = f (R0 / X1, X0 / X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado, y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es más complicado.

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie, y las admitancias derivación.

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas, y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero.

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse, se puede alcanzar la condición de resonancia.

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situación tanto la corriente de falla monofásica como la tensión homopolar pueden alcanzar valores muy elevados, que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado.

La característica de saturación de los núcleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal, la corriente no lo sea, y en particular tendrá un contenido de tercera armónica.

Si se inyecta una corriente sinusoidal, entonces la tercera armónica aparecerá en el flujo, y en la tensión.

En general se tendrá tercera armónica tanto en las tensiones como en las corrientes.

En los transformadores trifásicos, según como esté conectado el arrollamiento, la tercera armónica puede existir, o es forzada a desaparecer, en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armónica puede circular, y no aparece en las corrientes de línea, en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armónica de corriente es forzada a anularse, si el neutro se conecta al neutro de la alimentación en cambio la tercera armónica se presentará en las corrientes de línea.

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armónicas la conexión a tierra de la fuente, y de los distintos arrollamientos y la conexión de los arrollamientos (Y,D).

En un transformador Yy, alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador, o con fuente con neutro a tierra, pero con el arrollamiento Y con neutro aislado, la tercera armónica de corriente es suprimida, y entonces aparece una tercera armónica en las tensiones a tierra.

Si la fuente está a tierra, y el arrollamiento Y también entonces la componente de tercera armónica de la corriente puede circular libremente, la presencia de tercera armónica en la línea produce interferencia en los circuitos telefónicos.

Si el arrollamiento en y lado carga, se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande, puede circular una tercera armónica apreciable en los arrollamientos, esto disminuye la magnitud de las terceras armónicas de la tensión, pero puede causar interferencia en los circuitos telefónicos paralelos a las líneas del lado carga.

El efecto es similar si hay cargas, en general cualesquiera, conectadas a tierra (o al neutro).

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armónicas de tensión.

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triángulo ofrece camino para la tercera armónica de corriente, que entonces no aparece en la línea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armónica de la tensión mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y).

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra, y la fuente también entonces se presenta la tercera armónica en la corriente, pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente.

En consecuencia hay una muy pequeña tercera armónica de corriente y una muy pequeña tercera armónica en las tensiones.

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga, se puede presentar tercera armónica de corriente si las cargas están conectadas a tierra (o al neutro), en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefónica.