Se presentan los resultados de la simulación, con el programa para el análisis de transitorios electromagnéticos ATP (Alternative Transient Program), de las sobretensiones producidas durante las maniobras habituales y no habituales del interruptor de SF6, correspondiente al transformador de un horno de afino de 35 MW.
Las maniobras analizadas son la apertura en vacío y en carga, y el cierre del interruptor, considerándose en tales circunstancias la posibilidad de ocurrencia de múltiples reencendidos de la corriente por el mismo.
Se efectúa además una evaluación del sistema de protección actualmente implementado, compuesto por supresores RC y descargadores de OZn.Instituto de Investigaciones Tecnológicas para Redes y Equipos Eléctricos (IITREE

Bianchi Lastra, Raúl E.

Rifaldi, Alfredo

Spanish

El Servicio de Difusión de la Creación Intelectual

(1) TECHINT S.A. - Carlos María Dela Paolera Nº 299 - Piso 2. (1104) Buenos Aires. Argentina. T.E. +54-01-318-4125 - 
Fax: 310-1001. E-mail: “/o=techint /ou=techint /s=tearia”@mhs-techint.atmail.com 
(2) Instituto de Investigaciones Tecnológicas para Redes y Equipos Eléctricos - Universidad Nacional de La Plata. Cale 48 y 
116. (1900) La Plata. Argentina - T.E. +54-21-83-6640/83-7017. Fax: 25-0804. E-mail: itree@volta.ing.unlp.edu.ar 
 
COMPARACION ENTRE MEDICIONES DE CAMPO Y SIMULACIONES CON UN 
MODELO DIGITAL, DE TRANSITORIOS ELECTROMAGNETICOS EN UN 
HORNO DE ARCO. 
 
Ing. Alfredo RIFALDI 
TECHINT S.A. (1) 
Argentina 
Ing. Raúl BIANCHI LASTRA 
IITREE-LAT (2) 
Argentina 
 
RESUMEN 
Se presentan los resultados de la simulación, con el progra-
ma para el análisis de transitorios electromagnéticos ATP 
(Alternative Transient Program), de las sobretensiones 
producidas durante las maniobras habituales y no habituales 
del interruptor de SF6, correspondiente al transformador de 
un horno de afino de 35 MW. 
Las maniobras analizadas son la apertura en vacío y en 
carga, y el cierre del interruptor, considerándose en tales 
circunstancias la posibilidad de ocurrencia de múltiples 
reencendidos de la corriente por el mismo. 
Se efectúa además una evaluación del sistema de protección 
actualmente implementado, compuesto por supresores RC y 
descargadores de OZn. 
PALABRAS CLAVES 
Interuptores - SF6 - Hornos - Transitorios 
1. INTRODUCCION. 
En la planta que SIDERAR S.A.I.C. posee en la localidad de 
San Nicolás (Argentina), se encuentra en funcionamiento un 
horno de afino de 33 kV y 35 MVA, el cual es maniobrado 
con un interruptor de SF6. En bornes del transformador se 
encuentran instalados los elementos de protección consisten-
tes en un supresor RC y descargadores de Ozn. 
Un esquema unifilar simplificado de la instalación se mues-
tra en la Figura 1. 
A fin de verificar la efectividad del sistema de protección y 
de determinar las solicitaciones existentes durante la opera-
ción habitual del horno, se realizan simulaciones de las 
mismas con un modelo digital de la red. 
2. MEDICIONES DE CAMPO. 
Previo a la realización de simulaciones digitales, se levó a 
cabo una campaña de medición de sobretensiones, provoca-
das por la maniobra del interruptor (Ref.[1]). En total se 
registraron mediciones durante 13 maniobras: 5 de apertura 
en vacío, 5 de apertura en carga y 3 de cierre del interruptor 
del horno de afino. 
Se contaba con dos divisores capacitivos, por lo que sólo se 
pudo registrar tensiones en dos punto de la red simultánea-
mente. La frecuencia de muestreo utilizada fue de 0,5s, 
dado que se pretendía registrar fenómenos de alta frecuen-
cia, debido a posibles reencendidos del arco por el interrup-
tor. 
G
1000 m

36,1 mH

F
F

40 MVA
132/33 kV
Ucc=10%
Equivalente
de la red
F
35 MVA
33/0,46-0,16 kV
Ucc=8.3%
SF6
FILTRO
OZn
OTROS 
HORNOS
HORNO
350 m

 Figura 1: Esquema unifilar de la red. 
- 2 - 
 
3. METODOLOGÍA DE ESTUDIO. 
Se construyó un modelo digital del sistema, el cual se utiliza 
para realizar simulaciones con el programa de cálculo de 
transitorios electromagnéticos ATP, también conocido como 
EMTP. 
Se utiliza la versión ATP 7 de dicho programa de simula-
ción, con la autorización del Comité Argentino de Usuarios 
del EMTP y bajo licencia sin cargo que otorga el Grupo de 
Usuarios Canadiense - Americano del EMTP. 
Para la validación del modelo, se simulan con el mismo 
aquelas maniobras realizadas durante las mediciones de 
campo, y se comparan los resultados con los registros obte-
nidos en las mediciones. 
Posteriormente se realizan con el modelo simulaciones de 
maniobras en situaciones que no es posible realizar en la 
instalación. 
3.1 Modelo del interruptor. 
El modelo del interruptor debe ser capaz de simular los 
múltiples reencendidos del arco en el mismo. Debe tener en 
cuenta, por lo tanto, las siguientes cualidades: 
 La característica de recuperación de la rigidez dieléctrica 
entre contactos cuando abre. 
 La habilidad del interruptor de cortar corriente antes de su 
paso natural por cero (“Chopping Current”). 
 La pendiente máxima de la corriente, en su paso por cero, 
que el interruptor es capaz de cortar. 
En base a esto, se utiliza para este estudio un modelo de 
interruptor, desarrolado en MODELS, que permite la simu-
lación de múltiples reencendidos, mediante la siguiente 
lógica: 
 Luego de la separación mecánica de los contactos del 
interruptor, se considera que la rigidez dieléctrica entre los 
mismos crece linealmente, con una pendiente determinada. 
Esta recta define la tensión transitoria de restablecimiento 
soportada por el interruptor en cada instante posterior a la 
interrupción de la corriente. 
 Se compara en cada instante la tensión entre contactos del 
interruptor con la tensión soportada por el mismo (definida 
por la recta antes mencionada) y en caso de ser superada 
se produce el cierre del interruptor, es decir, el reencendi-
do del arco. 
 Si se produce el reencendido, se deben dar dos condicio-
nes para que se puede interrumpir nuevamente la corrien-
te: a) que la pendiente de la corriente en su paso por cero 
sea inferior a un valor determinado, y b) que su valor ins-
tantáneo sea inferior al que el interruptor puede cortar 
(“Chopping current”). En el caso en que se cumplan am-
bas condiciones simultáneamente, se producirá la apertura 
del interruptor. 
La lógica precedente se repite para cada paso de tiempo, con 
lo cual es posible simular el fenómeno de múltiples reencen-
didos. 
3.2 Modelo del transformador del Horno de Afino. 
Los parámetros del modelo del transformador fueron obteni-
dos de los protocolos de ensayo del mismo: 
Tensiones  = 33/0,46 kV 
Potencia  = 35 MVA 
Ucc  = 8,3 % 
Pérdidas en carga (Pcc)  = 283 kW 
Pérdidas en vacío (Pfe)  = 40 kW 
Corriente en vacío (I0)  = 3,4 A 
Conexión = / 
Tensiones de ensayo:  
a frecuencia industrial  = 52,5 kV 
a impulso atmosférico  = 250 kV 
 
Es importante considerar las pérdidas del circuito magnético 
del transformador. Por esto se incluye en la rama magneti-
zante del modelo, una resistencia que representa las pérdidas 
en vacío (Pfe) del mismo. Su valor se calcula mediante la 
siguiente ecuación: 
 
Rmag
U
Pfe
kV
kW
k   
2 233
40
27 2,  [1]  
Este valor de resistencia es válido a frecuencias cercanas a la 
nominal. 
Dado que no se conoce las características del  circuito 
magnético, se considera al mismo como ideal, es decir, sin 
saturación. La inductancia magnetizante es representada por 
un par de valores de la característica I, dados por: 
I I A  
2
3 0
28,  [2]  
    2 2
33
314
148 6
VLL kV Wb,  [3]  
En bornes de transformador se considera una capacidad 
parásita a tierra de 12 nF. Este valor resulta razonable en 
base a las mediciones efectuadas sobre el transformador y a 
la bibliografía consultada (Ref.[2]). 
3.3 Modelado de los cables. 
La alimentación al horno desde el transformador de entrada, 
se realiza mediante tres cables subterráneos en paralelo, de 
formación 3x1x120mm2, y de 350m. de longitud. Estos 
cables se representan como una única línea con parámetros 
distribuidos, sin acoplamiento entres fases. La capacidad por 
fase de cada uno de estos cables es de 0,19 F/km. Conside-
rando una velocidad de propagación de 100000 km/s, resulta 
una impedancia característica equivalente de los tres cables 
de 17,5. No se tuvo en cuenta la variación de los paráme-
tros con la frecuencia. 
3.4 Modelado de los restantes elementos de la red. 
La red de alimentación se la modela con una impedancia 
equivalente, de manera de obtener una potencia de cortocir-
- 3 - 
 
cuito de 1500 MVA en barras 132 kV. A partir de alí se 
representa la línea aérea de alimentación a la planta de 
SIDERAR, de una longitud de 1 km., hasta el transformador 
de 132/33 kV. En bornes de 33 kV de este transformador 
también se representan los filtros de armónicas. 
4. MANIOBRAS DE APERTURA EN VACÍO. 
Esta es la maniobra habitual para la desenergización del 
horno, consistente en levantar primero los electrodos y luego 
proceder a la apertura del interruptor. En estas condiciones 
el interruptor solo abre la corriente de vacío del transforma-
dor. 
Debido a que la corriente de vacío es muy pequeña, la mis-
ma es interrumpida en cualquier punto de la onda de corrien-
te. 
4.1 Análisis de las mediciones realizadas. 
En total se obtuvieron registros de cinco maniobras de aper-
tura de la corriente de vacío del transformador. Las variables 
registradas fueron las tensiones del lado barra y transforma-
dor en una de las fases. 
En la Figura 2 se muestra la forma de onda obtenida en una 
de las mediciones. 
Durante las mediciones de los transitorios en la apertura de 
la corriente de vacío del transformador no se observaron 
reencendidos del interruptor, ni sobretensiones de considera-
ción en ningún punto del sistema. 
4.2 Simulaciones de la apertura de la corriente de 
vacío. 
En este punto se presentan los resultados de la simulación de 
la apertura en vacío del transformador, con fin de comparar 
las formas de onda resultantes con las obtenidas durante las 
mediciones y validar el modelo construido. 
La Figura 3 muestra la forma de onda de la tensión a tierra 
en bornes del transformador, obtenida por simulación. Esta 
figura debe compararse con la forma de onda registrada en 
las mediciones y mostrada en la Figura 2. 
11-Oct-96 20.27.33
0  10 20 30 40 50 60-30
-20
-10
 0
 10
 20
 30V [kV]
t [ms] ( 4) HORNOA       
Figura 3. Tensión en bornes del transformador (simulada). 
Se observa que en las formas de onda obtenidas por simula-
ción no están presentes las deformaciones producidas por la 
alinealidad del circuito magnético del transformador, la cual 
no ha sido considerada en el modelo construido. Sin embar-
go, dado que resultan mas conservadoras que las reales 
medidas, se considera validado el modelo para la continua-
ción de las restantes simulaciones. 
Dado que esta es la maniobra mas habitual del horno, se 
analizaron con el modelo otras situaciones, como ser: 
a) Reencendidos del arco 
b) Efectos de la ausencia del supresor RC 
En el caso a), se encontró que la tensión transitoria de resta-
blecimiento tiene una pendiente inicial baja en relación con 
la característica de recuperación dieléctrica considerada para 
el interruptor, con lo cual es poco probable la ocurrencia de 
reencendidos. Sin embargo, simulando esta improbable 
situación con el modelo digital, no se encontraron solicita-
ciones de consideración para la aislación del transformador. 
El caso b) se simula para verificar si los descargadores 
actúan como protección de respaldo de los supresores ante 
una fala de éstos. Las sobretensiones en este caso son de-
pendiente de las capacidades parásitas del transformador, las 
cuales no se conocen con precisión. Las simulaciones mos-
traron que los descargadores solo ejercen una ligera limita-
ción de las sobretensiones. 
5. MANIOBRAS DE APERTURA EN CARGA. 
La maniobra de apertura de interruptor con los electrodos 
todavía inmersos en el baño, es decir, con el transformador 
en carga, no es la habitual pero puede ocurrir en situaciones 
no deseadas, por actuación errónea de las protecciones 
durante la energización u operación normal. 
La frecuencia de las oscilaciones de la tensión del lado 
transformador es más alta que en el caso de apertura de la 
corriente de vacío, por lo que la tensión transitoria de resta-
blecimiento crecerá también más rápidamente en este caso, 
siendo entonces teóricamente más probable la ocurrencia de 
reencendidos durante este tipo de maniobra. 
 
Figura 2. Tensión en bornes del transformador (medida) 
- 4 - 
 
5.1 Análisis de las mediciones realizadas. 
Durante la campaña de mediciones se obtuvieron en total 
cinco registros de maniobras de apertura de la corriente en 
carga del transformador. Las variables registradas fueron las 
tensiones del lado barra y transformador en una de las fases 
en dos de las mediciones, y las tensiones a tierra en el trans-
formador en dos fases, en las otras tres mediciones. 
Figura 4 a y b. Apertura de la corriente de carga. Tensión medi-
da a tierra, fases R y S. 
En la Figura 4 se muestra la tensión a tierra en dos de las 
fases del transformador. En t=3 ms aproximadamente se 
observa en las mismas los efectos de un reencendido del 
arco en el interruptor. Esto se observó en solamente una de 
las mediciones. 
En ninguno de los registros se observan sobretensiones de 
consideración. 
5.2 Simulaciones de la apertura de la corriente de 
carga. 
Se simuló la maniobra con el objetivo de reproducir los 
registros de la Figura 4. Los resultados se presentan en la 
Figura 5. 
 Las formas de onda a) y b) de la Figura 5 deben ser compa-
radas con las mostradas en a) y b) de la Figura 4. Se observa 
que los resultados obtenidos con el modelo se ajustan ade-
cuadamente a los obtenidos durante las mediciones. La 
Figura 5c muestra la forma de onda de la tensión en la terce-
ra fase, la cual no fue registrada en las mediciones. 
 
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-30
-20
-10
 0
 10
 20
 30V [kV]
t [ms] ( 5) HORNOS      
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-30
-20
-10
 0
 10
 20
 30V [kV]
t [ms] ( 6) HORNOT      
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-30
-20
-10
 0
 10
 20
 30V [kV]
t [ms] ( 4) HORNOR      
 
Figura 5 a, b y c. Simulación de una apertura en carga. 
Dado que, como se dijo en el punto precedente, en estas 
condiciones existe una mayor probabilidad de existencia de 
reencendidos que cuando se abre la corriente de vacío del 
transformador, se simularon varias maniobras con distintos 
instantes de ocurrencia de reencendidos. 
Los resultados de una de estas simulaciones se muestra en la 
Figura 6. 
- 5 - 
 
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18-30
-20
-10
 0
 10
 20
 30v [kv]
t [ms] ( 4) HORNOR      
 
Figura 6. Reencendido en una fase. 
1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4-30
-20
-10
 0
 10
 20
 30V [kV]
t [ms] ( 4) HORNOR      
 
Figura 7. Detale de la figura precedente 
Se desprende que, si bien no se producen sobretensiones de 
magnitudes apreciables en el sistema, si ocurren variaciones 
bruscas de la tensión en bornes del transformador, con tiem-
pos de frente muy reducidos, lo cual puede solicitar severa-
mente la aislación entre espiras del mismo. La repetición de 
este tipo de solicitación, puede producir el envejecimiento 
prematuro de dicha aislación. 
Por lo tanto debe evitarse, como medida de prevención, la 
maniobra de apertura de la corriente de carga del transfor-
mador, dado que en esta condiciones existen mayores pro-
babilidades de ocurrencia de reencendidos. 
6. MANIOBRAS DE CIERRE. 
En total se obtuvieron registros de tres maniobras de energi-
zación en vacío del transformador. Las variables registradas 
fueron las tensiones del lado barra y transformador en una 
de las fases. 
Durante la maniobra de cierre, la rigidez entre contacto 
disminuye a medida que estos se van acercando. La carac-
terística de variación de la rigidez dieléctrica entre contactos 
durante el cierre, no es generalmente igual que durante la 
apertura. 
El arco entre contactos del interruptor se produce un instante 
antes del contacto metálico entre elos. Este tiempo se de-
nomina tiempo de prearco y depende exclusivamente de la 
característica de variación de la rigidez dieléctrica entre 
contactos durante el cierre. Algunos interruptores (especial-
mente los de vacío), pueden cortar repetidas veces esta 
corriente de prearco, produciendo múltiples reencendidos de 
la corriente de prearco, pero con la diferencia con respecto 
al mismo fenómeno durante la apertura, de que cada reen-
cendidos ocurre a una tensión inferior, y además produce 
una solicitación inferior, al reencendido precedente. 
6.1 Análisis de las mediciones realizadas. 
En las Figura 9 se muestran las formas de onda de las ten-
siones fase - tierra registradas durante una de las mediciones 
de este tipo de maniobra. 
 
Figura 8. Tensión a tierra del lado fuente de interruptor. 
 
Figura 9. Tensión a tierra del lado transformador. 
En la forma de onda de la tensión a tierra del lado fuente del 
interruptor, se observa las oscilaciones por acoplamiento 
debido al cierre de las otras dos fases del interruptor. En 
ninguna de las mediciones se observó sobretensiones de 
consideración en bornes del transformador. 
6.2 Simulaciones del cierre del interruptor. 
Las simulaciones del cierre del interruptor se realizan consi-
derando un pendiente de 25 kV/ms para la característica de 
la rigidez dieléctrica del interruptor durante el cierre. 
Los resultados se muestran en las Figuras 10 y 11, las cuales 
deben ser comparadas con las Figuras 8 y 9. 
- 6 - 
 
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5-30
-20
-10
 0
 10
 20
 30v [kv]
t [ms] ( 7) INTER      
 
Figura 10. Tensión a tierra del lado fuente de interruptor. 
Se realizaron simulaciones del cierre en diversas circunstan-
cias, sin encontrarse solicitaciones de consideración en el 
transformador. 
7. CONCLUSIONES OBTENIDAS DE LAS 
SIMULACIONES. 
7.1 Conclusiones generales. 
 Con un modelado relativamente sencilo del interruptor, 
principalmente en lo referente a la característica de re-
cuperación dieléctrica entre  contactos, y utilizando 
parámetros de protocolo para el modelado del transfor-
mador, se logra una representación digital ajustada de la 
instalación. 
 En base a las simulaciones efectuadas con el modelo, se 
concluye que los supresores RC están correctamente di-
mensionados y proveen una adecuada protección del 
transformador. 
 Asimismo, los descargadores proveen una protección de 
respaldo, aunque en principio solo ejercen una ligera li-
mitación de las sobretensiones en el caso de ausencia de 
los supresores. 
 No se observaron durante las mediciones ni en las simu-
laciones solicitaciones de consideración. 
7.2 Maniobra de apertura en vacío 
 Los supresores RC proveen una adecuada protección al 
transformador, siendo prácticamente nula la probabili-
dad de ocurrencia de reencendidos o de sobretensiones 
ocasionadas por el corte de corriente del interruptor. 
 La ausencia de supresores produce un aumento de las 
sobretensiones ocasionadas por el corte de corriente, y 
un aumento en la probabilidad de ocurrencia del fenó-
meno de múltiples reencendidos del arco. La presencia 
de los descargadores podría limitar la amplitud de estas 
sobretensiones, pero no evitan los reencendidos. 
7.3 Maniobra de apertura en carga. 
 La maniobra de apertura de la corriente de carga no 
produce sobretensiones elevadas en el sistema, pero si 
incrementa notablemente la probabilidad de ocurrencia 
de reencendidos del interruptor, aún con los supresores 
RC conectados, por la cual es un tipo de maniobra que 
debe ser evitada en lo posible. 
8. REFERENCIAS 
[1] “Estudio de sobretensiones en la instalación eléctrica 
del horno de afino de SIDERAR, PARTE I: Mediciones 
de campo y análisis de perturbaciones.” Informe Técni-
co IT 543, Instituto de Investigaciones Tecnológicas pa-
ra Redes y Equipos Eléctricos. 
[2] “Electrical Transients in Power Systems”, Alan Green-
wood, Editorial Wiley-Interscience/1971. 
 
 
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5-30
-20
-10
 0
 10
 20
 30v [kv]
t [ms] ( 4) HORNOR      
 
Figura 11. Tensión a tierra del lado transformador. 


Comparación entre mediciones de campo y simulaciones con un modelo digital, de transitorios electromagnéticos en un horno de arco

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/45594/Documento_completo.pdf?sequence=1

Comparación entre mediciones de campo y simulaciones con un modelo digital, de transitorios electromagnéticos en un horno de arco

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