apuntes sobre ferroresonancia

APUNTES SOBRE FERRORESONANCIA O. GIRALDO M.

07.01.2000

Santiago Barrionuevo 011/23/2006

1. Qué es ferroresonancia? Es una resonancia no lineal que puede ocurrir durante condiciones de circuito abierto en los sistemas de distribución. Se caracteriza por sobrevoltajes muy altos con contenido apreciable de armónicos como resultado de colocar la impedancia de excitación no lineal del transformador en serie con la capacitancia del sistema.

2. Cuándo se presenta el fenómeno en los transformadores? En el momento de energizar un transformador en forma secuencial, cerrando una por una sus líneas y si el sistema primario no se encuentra aterrizado, las capacitancias a tierra de las líneas no cerradas actúan como un cortocircuito, de tal manera que las fases del transformador conectadas a la línea cerrada comienzan a tomar su “inrush current” o corrientes de excitación. Estas fases quedan energizadas.

Una fase energizada – y por tanto un voltaje inducido , en serie con la inductancia del devanado del transformador y con la capacitancia a tierra del cable primario, conforman un circuito eléctrico que puede reunir las condiciones de “resonante”. La resonancia ocurre cuando los valores óhmicos de la reactancia inductiva y capacitiva en este circuito son iguales. Debido al flujo residual en el núcleo o si el cierre de circuito se hace cercano o en el momento en que la onda de tensión pasa por cero, el núcleo puede ser llevado a saturación. En este caso un gran pulso de corriente fluye en los devanados energizados, teniendo su trayectoria a tierra a través de las capacitancias a tierra de las líneas abiertas. En el siguiente medio ciclo, el núcleo se satura pero en la dirección opuesta.

3. Qué efectos causa en el transformador? Si el núcleo comienza a entrar y salir de saturación en una forma periódica o aleatoria, el resultado es que aparecen tensiones muy altas entre fases y contra tierra. Estos sobrevoltajes causan fallas en el aislamiento del transformador o de los cables o fallas en los descargadores (pararrayos) localizados al pie del transformador o en el cortacircuito primario. CUANDO EL TRANSFORMADOR TIENE DEVANADOS PRIMARIOS NO ATERRIZADOS, PUEDEN RESULTAR SOBRETENSIONES DEL ORDEN DE 5 p.u. O AUN MAYORES.

4. Qué sucede a medida que se siguen cerrando las otras líneas de alimentación del transformador? Cuando se cierra la segunda linea, el sobrevoltaje permanece o se hace aún mayor. Unicamente después de cerrarse la tercera línea desaparece la condición monofásica y la ferroresonancia desaparece.

5. Qué condiciones deben darse para evitar el fenómeno de ferroresonancia? Con que condiciones puede tratar de disminuirse el fenómeno? Basados en el análisis de modelos de circuitos con posibilidad de resonancia, se han encontrado las siguientes desigualdades como indicativas de si el fenómeno puede presentarse o no:

Para V<1.25p.u. ⇒ Xc / Xm > 40, o (Xc*KVA) / (10 5 KV 2 ) * I∅% > 40 ( 1 )

Lo que estas relaciones indican es: • Para limitar el voltaje sobre la fase abierta a 1.25p.u. o menos, la relación entre la

reactancia capacitiva del cable y la reactancia de excitación por fase o equivalente del transformador debe ser mayor que 40.

• Esto puede ser expresado también en términos del tamaño del transformador en kVA, del voltaje fase a fase del sistema y de la corriente de excitación del transformador.


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• El número 40 no es un dato exacto. Algunos ingenieros preocupados con el asunto de la resonancia indican que este valor es muy alto y que debería de ser un valor entre 5 y 10. SIN EMBARGO, LA VENTAJA DE ESTA DESIGUALDAD ( 1 ) ES QUE MUESTRA EL EFECTO DEL VOLTAJE DEL SISTEMA, DEL TAMAÑO DEL TRANSFORMADOR Y LA LONGITUD DEL CABLE SOBRE LA PROBABILIDAD DE QUE OCURRA FERRORESONANCIA DURANTE CONDICIONES DE CIRCUITO ABIERTO.

Observando la desigualdad ( 1 ) puede concluirse: • Si el tamaño del transformador se disminuye es menos probable cumplir con la

desigualdad. Por tanto, ES MAS PROBABLE QUE OCURRA LA FERRORESONANCIA CON TAMAÑOS MAS PEQUEÑOS DE TRANSFORMADORES (100kVA y menores).

• Para el mismo tamaño de transformador (KVA) y la misma longitud de circuito, ES MAS PROBABLE QUE OCURRA FERRORESONANCIA EN NIVELES MAS ALTOS DE TENSION DEL SISTEMA, tales como 25 y 35kV que en niveles más bajos como 4kV o 15kV.

• Para el mismo tamaño del transformador (KVA) y voltaje del sistema (KV), es menos probable que se cumpla la desigualdad si Xc se disminuye. Como esto equivale a aumentar la longitud del cable, HAY MAS PROBABILIDAD DE QUE OCURRA LA FERRORESONANCIA SI EL TRANSFORMADOR ES ALIMENTADO A TRAVES DE UN CIRCUITO DE MUCHA LONGITUD DE CABLES QUE SI ES ALIMENTADO CON CABLES CORTOS O CON CABLES DESNUDOS.

La ferroresonancia no ha sido practicamente un problema en circuitos aéreos operando a niveles de tensión hasta 15kV. Esto llegó a ser un problema en los circuitos de distribución, como resultado del uso de niveles más altos de voltajes (25 y 35kV) y del uso de circuitos de cable subterráneos en sistemas con voltajes de operación de 15kV y mayores.

6. En que conexiones primarias es posible la ferroresonancia durante condiciones de circuito abierto? Devanados primarios conectados en delta, delta abierta, Y no aterrizada (con neutro flotante) o conexión T no aterrizada son propensos al fenómeno de ferroresonancia siempre y cuando exista una capacitancia fase/fase y/o fase/tierra entre la localización del interruptor/conectador,el cual es el causante de la operación monopolar, y el transformador.

7. Cuándo se presentan las condiciones de circuito abierto? Cuando se cierra/abre el circuito de forma monopolar o cuando opera un dispositivo de protección también monopolar.

8. Por qué es más probable que ocurra ferroresonancia cuando se alimenta un transformador a través de un circuito tipo cable blindado que cuando es alimentado a través de una línea tipo conductor abierto? La capacitancia de un cable conductor simple blindado está en el rango de 0.15 a 0.45µfaradio/km. Los valores más altos siendo asociados a cables de tamaños mayores. Puede tomarse un valor típico del orden de 0.30µfaradio/km. La capacitancia a tierra de una línea con conductor abierto está en el rango de 0.006µfaradio/km. ESTO SIGNIFICA QUE PARA UNA MISMA LONGITUD DE UN CIRCUITO AEREO Y OTRO SUBTERRANEO, LA REACTANCIA CAPACITIVA DEL CIRCUITO SUBTERRANEO ES SOLO EL 2% DE LA DEL CIRCUITO AEREO. DE LA DESIGUALDAD ( 1 ) SE SIGUE QUE LA FERRORESONANCIA ES MAS PROBABLE QUE OCURRA O QUE SEA UN PROBLEMA EN LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCION SUBTERRANEOS!!.


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9. Cómo puede minimizarse durante operaciones de “suicheo” la posibilidad de ferroresonancia en transformadores con conexión primaria no aterrizada?

• Usando suiches tripolares, cuando la operación de energización o desenergización tiene que hacerse en ubicación remota al transformador, para evitar la condición monofásica sostenida. Esta es una solución costosa que las Empresas de energía se reusan a utilizar por condiciones económicas.

• Si la operación tiene que hacerse en forma monopolar, efectuando la operación de suicheo en los bornes de AT del transformador preferiblemente que en la localización remota o que en el cortacircuito. En este caso la capacitancia de los cables del circuito no puede ser insertada en serie con la impedancia de magnetización del transformador durante la operación monopolar de conexión. Así la probabilidad es mucho menor y el fenómeno practicamente no se presenta, excepto en circuitos de 25 y 35kV o en el caso de transformadores muy pequeños. En circuitos aéreos de 25 y 35kV se ha reportado en algunos casos ferroresonancia a pesar de efectuar la maniobra en terminales del transformador. Esto es debido en el caso de pequeños bancos (Y con neutro flotante) / Delta, a resonancia no lineal entre la capacitancia interna del transformador y su reactancia de excitación.

• Conectando una pequeña carga resistiva a los terminales secundarios del transformador. La cantidad de carga depende del tamaño del transformador, voltaje del sistema y longitud del cable. En general, una carga resistiva de entre el 5 y 10% de la capacidad nominal del transformador prevendrá la ferroresonancia.

10. Presenta un transformador con conexión Y aterrizada / Y aterrizada fenómeno de resonancia? Eso depende.

a. Si los circuitos magnéticos son independientes (banco de transformadores monofásicos o transformador trifásico tipo “triplex”) y el transformador está alimentado con cables sencillos aislados, NO se presentará ferroresonancia. Esto porque:

• El neutro aterrizado cortocuita la reactancia resonante, eliminando así el problema!!. • No hay acople capacitivo entre fases al usar cable aislado sencillo, • No hay acople magnético entre las fases y por ello al cerrar una o dos líneas no induce

voltajes en las fases abiertas. Habrá que prevenir también en este caso que no se encuentren bancos de capacitores conectados en Delta o en Y flotante entre la línea abierta y el transformador.

b. Si el transformador es una unidad trifásica con núcleo de 4 o 5 columnas, puede ocurrir ferroresonancia porque aunque no haya capacitancia de acople entre fases, hay un acople magnético entre las fases. Este acople en unión con la capacitancia fase a tierra de las fases abiertas, constituyen un circuito serieparalelo que puede resonar. En este caso, se han probado en laboratorio que los voltajes máximos a tierra en las fases abiertas no exceden 2.3p.u. y en general serán considerablemente menores que 2.0p.u. Estos son voltajes que pueden considerarse no peligrosos durante la duración normal de una operación de suicheo. Recuérdese que para casos de primario no aterrizado, estos valores pueden ser del orden de 5.0p.u. Recuérdese también que el ensayo de baja frecuencia (tensión aplicada) es generalmente mayor que 2p.u. PUEDE PUES CONSIDERARSE QUE UNA UNIDAD TRIFASICA DE 4 O 5 COLUMNAS PREVIENE ADECUADAMENTE SOBRETENSIONES DE SUICHEO.

11. Se pueden prevenir COMPLETAMENTE las sobretensiones por ferroresonancia?. Si, usando la conexión Y aterrizado / Y aterrizado con circuitos magnéticos independientes. Lo que sucede es que estos transformadores o bancos de transformadores son mucho más costosos que una unidad compacta de 4 o 5 columnas. Por ello la experiencia ha llevado a utilizar esta como una buena alternativa para prevenir las sobretensiones por ferroresonancia sin encarecer la instalación.


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12. Cómo puede resumirse la susceptibilidad de las diferentes conexiones a las sobretensiones por ferroresonancia? El cuadro siguiente indica cualitativamente, para las conexiones más comunes de los transformadores, la probabilidad de tener ferroresonancia durante operaciones de suicheo en circuitos de 15, 25 y 35kV.

CONEXIÓN PRIM.

CONEXIÓN SEC. PROBABILIDAD CIRCUITO 15kV

PROBABILIDAD CIRCUITO 25kV

PROBABILIDAD CIRCUITO 35kV

Y no aterrizada Delta Muy Baja Alta Muy Alta Delta Y aterrizada Muy Baja Alta Muy Alta

Y aterrizada Y aterrizada Cero Cero Cero Y abierta Aterrizada

Delta abierta aterrizada

Cero Cero Cero

Numerosas Empresas de Energía han hecho ensayos con la conexión Y flotante / Delta en sistemas de 34.5kV y han medido sobrevoltajes del orden de 5.0p.u. en las fases abiertas. Por esto es que las principales Empresas de Energía en USA utilizan las 2 últimas alternativas en circuitos de 25 y 35kV.

ORLANDO GIRALDO HJ INTERNATIONAL LATIN AMERICA SALES AND OPERATIONS MANAGER

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