"El Problema De Voltajes Inducidos En Cables De Control En Subestaciones De Alta Tensión"
El cableado en las subestaciones eléctricas es muy importante debido al hecho de que son las partes más largas de un sistema y, por lo tanto, actúan como antenas eficientes que captan o irradian ruido. En las subestaciones de alta tensión, existen diferentes tipos de conductores cercanos entre sí, como buses de alta tensión, TC, TT, acopladores de portadora, bujes, cables de control, conductores de tierra de la subestación y conexiones a tierra de los equipos.
Cables en charola
Los cables de control se utilizan para transportar salidas de transformadores potenciales, salidas de transformadores de corriente, señales de control de interruptores, relés y otras señales de comunicación. Cada vez más, los equipos electrónicos se utilizan en patios de maniobras y casetas de control.
El voltaje inducido producido dentro de una subestación puede acoplarse a cables de control de bajo voltaje y equipos electrónicos a menos que esté adecuadamente protegido. Los conductores paralelos exhiben tanto inductancia como capacitancia mutuas.
Además, si no se tiene cuidado de conectar a tierra el sistema correctamente, las corrientes de tierra en estas frecuencias pueden acoplarse con el sistema de control e instrumentación de manera resistiva, capacitiva o inductiva, produciendo disparos molestos.
En este artículo técnico se presentan las tensiones inducidas en los cables de control debidas a maniobras y sobretensiones. En presencia de bancos de condensadores en derivación en la subestación, la magnitud y frecuencia de las sobretensiones de conmutación aumentan.
Dado que los conductores de potencia transportan corrientes relativamente grandes y operan a voltajes más altos en comparación con los cables de control, pueden aparecer voltajes de frecuencia de potencia en los cables de control a través de este acoplamiento y causar considerables problemas de ruido.
Fuentes de voltaje inducidas
(acoplamiento resistivo)
El acoplamiento resistivo es ruido transmitido eléctricamente a través de una ruta de impedancia de tierra común. La subestación no debe utilizar una ruta de impedancia de tierra común para cables de MT / HV y cables de control / señal.
Los transformadores de aislamiento deben usarse en subestaciones eléctricas para reducir los efectos del acoplamiento resistivo / galvánico, especialmente transformadores con un blindaje conectado a tierra que separa el devanado primario del secundario.
También puede ser necesario proporcionar transformadores de aislamiento para proteger contra aumentos en el potencial de tierra de la subestación debido a fallas a tierra.
Acoplamiento capacitivo
Como sugiere el nombre, el acoplamiento capacitivo es el acoplamiento de corrientes de ruido mediante capacitancia parásita. De la teoría básica de circuitos sabemos que la capacitancia (C) está relacionada con el área (A) y la distancia (d) de la siguiente manera:
C = εA/d
Es decir, la capacitancia aumenta a medida que aumenta el área y disminuye a medida que aumenta la distancia. Entonces, lo más fácil de hacer es mantener los cables separados entre sí. Generalmente, solo se obtiene una pequeña atenuación al espaciar los conductores a una distancia mayor de 40 veces su diámetro.
El acoplamiento electrostático entre el conductor del sistema de energía y el cable de control puede producir inducción de voltaje a la frecuencia de suministro. En la Figura de abajo se muestra un ejemplo de acoplamiento de capacitancia entre un conductor de potencia y un cable de control.
La capacitancia actúa como divisor de voltaje. Durante las operaciones de conmutación transitorias, habrá corrientes inducidas en el cable de control, dadas por la siguiente ecuación:
i = C × dV/dt
Una mayor distancia entre el conductor de potencia y el cable de control puede reducir el voltaje inducido en el cable de control.
Acoplamiento capacitivo entre cable de control con cable de potencia
Acoplamiento inductivo
La presencia de un conductor de potencia cerca de un cable de control puede producir un acoplamiento inductivo entre los dos. La corriente a través del conductor de energía produce un flujo magnético como se muestra en la figura de abajo. Si un cable de control está presente en el campo magnético, entonces habrá voltaje inducido a la frecuencia de energía.
La magnitud del voltaje inducido depende del acoplamiento mutuo entre los conductores y la corriente a través del conductor. La tensión inducida en el cable de control viene dada por:
e (control cable) = M × di/dt
Donde:
- M es la inductancia mutua entre el conductor de potencia y el cable de control.
- i es la corriente a través del conductor.
El campo eléctrico es proporcional a la carga por unidad de longitud r en el bus y es inversamente proporcional a la distancia más corta r entre el punto de campo en el bus dada por:
E = ρ / 2πεsr
ρ = CVph
C = 1 / (Zs × c)
Donde:
- c = Velocidad de la luz = 3 × 108 m / s
- C = Capacitancia del bus
- Vph = Voltaje por fase
- Zs = impedancia de sobretensión, Ω / fase
Reordenando las ecuaciones anteriores:
E = (377 × Vph) / 2πZsh
Donde:
η = √(μ0/ε0) = 1/ε0c = 377 Ω
El radio r es igual a la altura del bus h. El campo eléctrico vertical se duplica al reflejarse desde el suelo. Para 1.0 por unidad de transitorios de conmutación, el campo eléctrico viene dado por:
E = (377 × Vph) / πZsh
Acoplamiento inductivo entre cable de potencia y control
Ejemplo
Calcule el campo eléctrico a una distancia de 8 m del conductor de fase de un sistema de 230 kV. Suponga una impedancia de sobretensión de 350 Ω / fase.
SOLUCION
- h = 8 m,
- Zs = 350 Ω/phase
- Voltaje linea linea del sistema = 230 kV
- Voltaje fase (230 kV/1.732) = 132.8 kV
- E = (377 Ω) (132,8 kV) / π (350 Ω) (8 m) = 5,7 kV / m
Los voltajes inducidos transitorios en los cables de control se deben a las operaciones de conmutación del interruptor y a las ondas viajeras producidas por el rayo. Las amplitudes de la corriente transitoria dependen de la impedancia de sobretensión del conductor y del voltaje pico instantáneo del sistema de fase a tierra.
Conmutación de transitorios debido a operaciones
de interruptores automáticos
Los contactos móviles de los interruptores no solo permiten múltiples averías del medio aislante entre los componentes del sistema de alta tensión, sino que también permiten que los potenciales de avería superen la tensión de funcionamiento del sistema debido a cargas atrapadas.
Las frecuencias de oscilación pueden variar desde la frecuencia nominal de suministro hasta varios kHz. Cuando los cables de control están presentes, habrá voltajes inducidos debido al acoplamiento mutuo.
Transitorios por rayos
Los rayos también pueden causar arcos eléctricos en los equipos de la subestación y producir transitorios. Cuando los cables de control se colocan en paralelo a los conductores de la línea eléctrica que transmiten tales transitorios, habrá voltajes inducidos.
En una subestación, los voltajes inducidos en los cables de control pueden deberse a un acoplamiento conducido, un acoplamiento radiante como un acoplamiento electrostático o un acoplamiento inductivo.
El voltaje inducido a través de los cables de control puede causar daños a los equipos electrónicos.