REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ANÁLISIS DE SOBRETENSIONES TRANSITORIAS EN LAS INSTALACIONES
ELÉCTRICAS INDUSTRIALES
Anteproyecto del Trabajo Especial de Grado presentado ante la
Universidad Rafael Urdaneta para optar al título de:
INGENIERO ELECTRICISTA
Autores: Br. JOSÉ PETIT
Br. RAÚL SOTO
Tutor: Prof. Nancy Mora
Maracaibo, junio de 2023.
ANÁLISIS DE SOBRETENSIONES TRANSITORIAS EN LAS INSTALACIONES
ELÉCTRICAS INDUSTRIALES
Petit Covelli, José Matias
Soto Martínez, Raúl José
C.I: 29.740.395
C.I: 29.740.971
Urb. Altos del Sol Amada, calle
Antonio José de Sucre, casa 249
Calle Cecilio Acosta, Av. 9, Edif
La Rosaleda
Teléfono: (0412)-0753598
Teléfono: (0424)-6041261
Jose.29740395@uru.edu
raul.29740791@uru.edu
62 materias cursadas
59 materias aprobadas
Tutor académico
Ing. Mora de Morillo, Nancy Nelita
C.I: 4.062.002
Teléfono: (0414)-6300462
Nancy.mora.80259@uru.edu
INDICE
1. Planteamiento del problema ............................................................................. 1
2. Formulación del problema ................................................................................ 6
3. Objetivos ........................................................................................................... 6
3.1. Objetivo general ......................................................................................... 6
3.2. Objetivos específicos ................................................................................. 6
4. Justificación e importancia ................................................................................ 7
5. Delimitación ...................................................................................................... 7
5.1. Delimitación espacial.................................................................................. 8
5.2. Delimitación Temporal................................................................................ 8
5.3. Delimitación Científica ................................................................................ 8
6. Referencias Bibliográficas ................................................................................ 8
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1. Planteamiento del problema
Las instalaciones eléctricas industriales están conformadas por un conjunto
de equipos y dispositivos necesarios para la distribución, transformación, control y
utilización de la energía eléctrica en ambientes industriales, con el objetivo de
garantizar un suministro confiable, continuo y eficiente de la energía para el correcto
funcionamiento de las líneas de producción, en las cuales existen una gran variedad
de motores eléctricos, sistemas de iluminación, equipos electrónicos y de
telecomunicaciones, y otros tipos de cargas.
Según Beeman (1955), estas instalaciones eléctricas tienen una importancia
vital, ya que representan una conexión entre el punto de suministro de energía
eléctrica a la planta y las cargas existentes en la misma, permitiendo de esta manera
la producción en la industria.
De lo anteriormente señalado, resulta pertinente comentar que en cualquier
instalación industrial la prioridad es mantener a toda costa el funcionamiento de las
líneas de operación, ya que una parada de las mismas tiene un gran impacto
reflejado como una pérdida de producción (producción diferida) durante el lapso
fuera de servicio, lo cual a su vez redunda en pérdidas económicas, por lo que
resulta imperativo asegurar la continuidad y confiabilidad de la energía eléctrica para
resguardar la rentabilidad de la empresa.
Las causas de falla en una instalación industrial pueden ser de diferente
naturaleza: sobrecargas, desequilibrios, cortocircuitos, fluctuaciones de tensión,
armónicos,
ferroresonancia,
excesos
de
temperatura,
energización
de
transformadores, maniobras en condensadores, sobretensiones de carácter
temporal y transitorio, entre otras.
De las causas comentadas anteriormente, una de las tantas que pueden
atentar contra el suministro de la demanda de una instalación son las
sobretensiones transitorias, siendo esta según Hager (2019) “una onda en forma de
impulso de tensión que alcanza valores de algunos kilovolts (Kv) con una duración
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de algunos microsegundos (𝜇𝑠)”, donde el voltaje alcanza valores muy por encima
del nominal.
Las causas de estas sobretensiones pueden ser varias, sin embargo, Dugan
(2002) señala que las principales son las descargas atmosféricas y la conmutación
de condensadores, aunque también la ferroresonancia como la energización de
ciertos equipos en la instalación pueden dar origen a este fenómeno.
Por su parte, Beeman (1955) plantea que otras causantes de sobretensiones
transitorias son los cortocircuitos intermitentes, los sistemas desincronizados por
alguna maniobra como la apertura y cierre de interruptores alternadamente, el
efecto resonante y la apertura de circuitos (corriente cero forzada).
Sin
importar
la
causa,
las
sobretensiones
transitorias
presentan
consecuencias demasiado notorias donde destacan el daño al aislamiento de los
equipos, la reducción de la vida útil de los mismos, las posibles interrupciones al
suministro, la destrucción de ciertos equipos eléctricos y componentes electrónicos
y problemas en la calidad de la energía.
Además, las consecuencias mencionadas varían según la causa de la
sobretensión, teniendo un mayor impacto las descargas atmosféricas sobre los
sistemas eléctricos industriales, ya que según Osberto (2018) para niveles de
tensión inferiores a 230 Kv las sobretensiones de origen atmosférico tienen un
mayor impacto en magnitud que las originadas por una maniobra. Por lo que, al
tratarse de una instalación eléctrica industrial, los niveles de voltaje de operación
están muy por debajo de dicho valor, ya que según Beeman (1955) los niveles de
tensión se encuentran en el rango de 120v a 115 kv, sin embargo, existen
instalaciones eléctricas que son alimentadas directamente por circuitos de
distribución y al encontrarse estos en el rango de 600v a 35 kv según Short, se
puede decir que mayormente las instalaciones eléctricas industriales se encuentran
en el rango de 120v a 35 Kv.
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Por otro lado, según Dugan (2002) las descargas atmosféricas pueden
originar sobretensiones transitorias en las redes eléctricas mediante la conducción
(impacto directo del rayo a la instalación) y la inducción (impacto del rayo en un área
cercana a la red eléctrica), donde las sobretensiones conducidas e inducidas se
propagan a través de las líneas eléctricas del proveedor de energía (utility) pudiendo
producir flashovers (descarga a través de un aislante gaseoso que se encuentra en
la superficie de los aisladores) en las propias líneas, así como a las instalaciones
industriales a lo largo de la instalación y de allí la importancia de los descargadores
de sobretensión que drenan a tierra las corrientes originadas.
Además, las sobretensiones inducidas pueden llegar a originarse en los
sistemas de puesta a tierra mediante la ley de inducción Faraday, como
consecuencia de la caída de un rayo en un área cercana, convirtiéndose en un
peligro porque incrementan el potencial de tierra y afectan de esta manera a los
equipos electrónicos sensibles (mal funcionamiento y/o daño).
En relación a lo anterior Beeman (1955) menciona que el voltaje máximo que
puede existir en una línea debido al impacto de un rayo es de 15 millones de voltios,
mientras que el máximo voltaje inducido puede llegar a ser de 500 mil voltios.
Por otra parte, aunque las descargas atmosféricas representan un gran
impacto en las instalaciones eléctricas industriales, tanto las maniobras como
algunas condiciones operativas dentro estos sistemas pueden tener también un
aporte significativo en la generación de sobretensiones transitorias. En las
maniobras destacan la conmutación de condensadores y la apertura o cierre de
circuitos; mientras que, en las condiciones operativas, se pueden originar por
situaciones de resonancia por armónicos y ferroresonancia de transformadores. La
mayor parte de la red primaria de distribución es subterránea, los efectos capacitivos
de los cables también pueden ser causantes de sobretensiones, cuando se
encuentran en combinación resonante y paralelo con otros efectos inductivos.
Los bancos de condensadores en media tensión brindan una serie de
beneficios a los sistemas industriales como la posibilidad de corregir el factor de
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potencia y elevar el nivel de tensión, sin embargo, estos bancos no se encuentran
permanentemente activos durante el día, sino que estos son conectados y
desconectados parcialmente según la demanda existente en la instalación, siendo
justamente la conmutación la responsable de la producción de sobretensiones
transitorias. Con relación a este asunto Dugan (2002) señala que las sobretensiones
transitorias ocasionadas por este tipo de maniobra pueden alcanzar un pico entre 1
y 2 veces el valor nominal de tensión, lo cual afecta el aislamiento de los equipos y
genera problemas de calidad de la energía.
Por otro lado, la energización de motores y transformadores dan origen a
sobrecorrientes que están por encima del valor nominal, las cuales son conocidas
como corrientes Inrush. Estas corrientes de arranque presentan un alto contenido
de armónicos de acuerdo a Dugan (2002), que pueden ocasionar una resonancia
de existir un banco de condensadores en paralelo (lo cual es comúnmente utilizado
en sistemas eléctricos industriales) generando de esta manera sobretensiones
transitorias que puede afectar a los equipos eléctricos de la instalación.
En vista del impacto de las sobretensiones en los sistemas eléctricos
industriales, se han desarrollado técnicas y dispositivos a lo largo de la historia para
que evitar los efectos no deseados que estas conllevan.
Según Dugan (2002) los principios de protección de sobretensiones para
equipos son:

Limitar la tensión a través del aislamiento sensible.

Desviar la corriente transitoria lejos de la carga.

Bloquear la corriente transitoria para que no ingrese a la carga.

Conectar a tierra los equipos de manera conjunta.

Reducir o evitar que la corriente transitoria fluya entre las tierras.

Crear un filtro paso bajo utilizando los principios de limitación y bloqueo.
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Dugan (2002), explica una gran variedad de dispositivos y técnicas de
mitigación, las cuales pueden ser distintas en función del causante. Los dispositivos
más importantes a destacar son: los descargadores de sobretensión, los supresores
de sobretensión (localizados normalmente cerca de la carga, a un menor nivel de
tensión), transformadores aisladores y los filtros pasa-baja. Sin embargo, en cuanto
a las técnicas a destacar, se encuentran: coordinación del aislamiento,
sincronización de interrupción, sistema de apantallamiento y la resistencia de preinserción.
Todos los dispositivos de protección contra sobretensiones, funcionan
correctamente si disponen de un adecuado sistema de puesta a tierra, puesto que
es quien absorbe el exceso de tensión, y permite drenar las corrientes de descarga.
El hecho de que el fenómeno sea de carácter transitorio, dificulta su análisis
a través del monitoreo de la red, ya que, por su rapidez, se vuelve muy difícil de
detectar. Para analizar el comportamiento de las sobretensiones transitorias, se
utilizan normalmente herramientas computacionales, entre las cuales se pueden
citar ATP-EMTP.
Piñeros (s.f., p.10) lo define como: “El ATP (Alternative Transients Program)
es un programa para simulación de sistemas eléctricos enfocado a la simulación de
transitorios electromagnéticos y electromecánicos en sistemas polifásicos. Fue
desarrollado a partir del EMTP”.
También menciona una gran variedad de aplicaciones del software, entre las
cuales, en relación al tema en estudio, resaltan:

Estudios de sobrevoltajes por rayo.

Transitorios de maniobra y fallas.

Transitorios de alta frecuencia en GIS (Gas Insulated Switchgear).

Estabilidad transitoria, arranque de motores.

Maniobra de transformadores, reactores y bancos de compensación.

Ferroresonancia.
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
Arco eléctrico en interruptores, chopeado de corriente.

Análisis armónico y resonancia de red.
En vista de lo expuesto, esta investigación se enfoca en el análisis y
evaluación de las sobretensiones transitorias presentes en las instalaciones
eléctricas industriales. Para lo cual, se elegirá la configuración de una red primaria
de distribución industrial, y se someterá a simulaciones en ATP-EMTP bajo
perturbaciones que causen sobretensiones transitorias, para luego ensayar
soluciones técnicas y ver la efectividad en la atenuación de esas sobretensiones,
con el fin de brindar recomendaciones de mantenimiento y operación segura de
dichas instalaciones basadas en las normativas y estándares vigentes.
2. Formulación del problema
¿Cuál es el impacto que tienen las sobretensiones transitorias en las
instalaciones eléctricas industriales de media tensión?
3. Objetivos
3.1.
Objetivo general
Determinar los efectos de las sobretensiones transitorias en las instalaciones
eléctricas industriales.
3.2.

Objetivos específicos
Estudiar el problema de las sobretensiones transitorias en los sistemas
eléctricos industriales.

Obtener el comportamiento de las sobretensiones transitorias que pueden
ocurrir en la red eléctrica industrial, a través de simulaciones efectuadas en
la herramienta computacional ATP/EMTP.

Proponer soluciones prácticas para atenuar los efectos de las sobretensiones
transitorias en las instalaciones eléctricas industriales.
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4. Justificación e importancia
La importancia del presente trabajo radica principalmente en los resultados
que se extraerán del mismo, puesto que a partir de ellos se podrán conocer a mayor
profundidad los efectos asociados a las sobretensiones, y poder medir también la
efectividad de las técnicas de mitigación, determinando cuáles tienen un mejor
resultado en función de su origen, permitiendo a los sistemas industriales tener un
mayor control de las sobretensiones, y garantizar así un suministro eléctrico
confiable, seguro y estable.
Para poder llevar a cabo un estudio de sobretensiones, es necesario una
herramienta que permita medir y visualizar el comportamiento del sistema a través
del tiempo, específicamente en régimen transitorio. Esta necesidad justifica el uso
del software EMTP/ATP, que tiene una gama de recursos técnicos de gran valor,
que permitirán, a través de simulaciones, determinar conclusiones con respecto a
los efectos de las sobretensiones, y sus técnicas de mitigación.
Con la misma finalidad, se justifica la selección de un sistema eléctrico
industrial para poder así caracterizar la carga, la cual se verá sometida a través de
distintas causantes, y establecer un perfil mediante el cual, se puedan extraer
conclusiones que permitan a una industria similar, diseñar el sistema de protección
contra sobretensiones siguiendo las recomendaciones resultantes.
Esta investigación no solo tiene fines prácticos, sino también fines
académicos, que aportarán al conocimiento académico en la Universidad Rafael
Urdaneta en las asignaturas relacionadas con la calidad de la energía eléctrica y
transitorios electromagnéticos en sistemas de potencia.
Además, para los autores esta investigación les permitirá el desarrollo de
habilidades de investigación y análisis, así como un incremento de conocimientos
en el tema bajo estudio que serán de gran utilidad en el desenvolvimiento
profesional.
5. Delimitación
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5.1.
Delimitación espacial
La presente investigación se desarrollará en la Universidad Rafael Urdaneta,
ubicada en la Avenida El Milagro con la Calle 86, al lado de la Vereda del Lago, en
la ciudad de Maracaibo, estado Zulia, Venezuela.
5.2.
Delimitación temporal
La investigación se realizará en un plazo de 6 meses, a partir de la
aprobación del anteproyecto.
5.3.
Delimitación científica
Este trabajo especial de grado forma parte del ámbito de la ingeniería
eléctrica, en el área de potencia, utilizando los conocimientos adquiridos en las
asignaturas de calidad de la energía eléctrica y sistemas de distribución, teniendo
como línea de investigación: análisis de fenómenos transitorios
6. Referencias bibliográficas
Beeman, D., Alan, D. G., Haufmann, R. H., Halberg, M. N., & Crites, W. R. (1955).
Industrial Power System Handbook (1ra ed). New York: McGRAW'HILL
BOOK COMPANY, INC.
Dugan, R. C., McGranaghan, .. M., Santoso, S., & Beaty, H. W. (2002). Electrycal
Power Systems Quality (2da ed). MCgraw-Hill.
Hager. (Abril 2019). Sobretensiones: Transitorias y permanentes. Ingenieria
Electrica, 1-101.
Ramos, E. O. (2018). Causas y efectos de las sobretensiones transitorias en las
plantas industriales y metodo de proteccion para disipar la perturbacion
electrica ocasionada por este evento. Guatemala: Universidad de San
Carlos Guatemala.
Saldarraiga, I. J. (n.d.). CURSO ATP - GUIA BASICA. Antioquia: Asociación de
Ingenieros Electricistas Universidad de Antioquia.
Short, T. A. (2006). Electric Power Distribution Equipment and Systems. Florida:
CRC PRESS.
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