El fenómeno de sobretensión es muy común en los sistemas de alimentación eléctrica. Si no se adoptan medidas preventivas, puede ocurrir en cualquier momento. Existen muchos factores que pueden provocar sobretensiones en la red eléctrica, principalmente resonancia de sobretensión, sobretensión operativa y sobretensión debida a rayos.
La sobretensión resonante ocurre a alta frecuencia y representa un riesgo significativo durante el funcionamiento normal. Una vez que se produce la sobretensión, suele causar daños en los equipos eléctricos e incluso provocar apagones a gran escala. Normalmente, la mayoría de los accidentes por sobretensión en redes eléctricas de media y baja tensión son causados por fenómenos de resonancia.
En las redes eléctricas de media y baja tensión destinadas a la producción y operación de energía, existen diversas formas y métodos operativos de fallos, y sus propiedades de resonancia también difieren. Por lo tanto, es necesario comprender las propiedades y características de diversos tipos de resonancias, dominar las propiedades y características de sus oscilaciones, y formular contramedidas y medidas para la prevención y amortiguación de vibraciones. Actualmente, la mayoría de las redes de distribución de 35 kV y menores en China siguen operando con el punto neutro aislado de tierra, y algunas utilizan bobinas de supresión de arco (armónicas) anticuadas para la conexión a tierra. La práctica ha demostrado que, en los sistemas con punto neutro aislado de tierra, por un lado, se producen numerosas sobretensiones por resonancia ferromagnética causadas por la saturación del núcleo del transformador de tensión. Aunque se han adoptado muchas medidas para limitar dichas sobretensiones resonantes —como lámparas armónicas, eliminadores armónicos, adición de resistencias al punto neutro de alta tensión de los transformadores de tensión o uso de un único transformador de tensión—, no se ha logrado una solución fundamental. Siguen ocurriendo quemaduras de transformadores de tensión y fusibles fundidos. Por otro lado, la característica principal del modo de operación con punto neutro aislado de tierra consiste en que, tras una conexión a tierra monofásica, se permite mantener la operación durante un cierto período de tiempo, normalmente
Por lo tanto, se puede utilizar un dispositivo de compensación de tierra basado en el principio de sintonización automática para resolver eficazmente este tipo de problemas mediante modos operativos de sobrecompensación, compensación total y subcompensación. Actualmente, el dispositivo automático de compensación de tierra consta principalmente de cinco partes: transformador de puesta a tierra, bobina de supresión de arco, parte de control por microcomputadora, parte de resistencia de amortiguamiento, transformador especializado para el punto neutro y resistencia no lineal. El transformador de puesta a tierra se conecta a la bobina de supresión de arco como un punto neutro artificial. La corriente de la bobina de supresión de arco se ajusta mediante un interruptor bajo carga y se controla remotamente de forma automática. Se emplea el método de preajuste, lo que significa que, en condiciones normales de funcionamiento, la toma de la bobina de supresión de arco se ajusta en todo momento a la posición óptima según los cambios en los parámetros de la red eléctrica. El seguimiento automático y la sintonización automática se implementan mediante un controlador por microcomputadora. Al medir la fase entre el voltaje de desplazamiento y las corrientes y voltajes de los puntos neutro y principal, es posible calcular con precisión, evaluar y emitir instrucciones para el ajuste automático, mostrando parámetros relevantes tales como la corriente capacitiva, la corriente inductiva, la corriente residual y el voltaje de desplazamiento. Asimismo, puede recuperar datos, emitir alarmas, imprimir automáticamente y enviar señales de forma remota, satisfaciendo así las necesidades de subestaciones no tripuladas.
El dispositivo automático de compensación de puesta a tierra mediante sintonización puede lograr una operación de compensación total o un desajuste muy pequeño, principalmente porque se conecta en serie, en el circuito primario de la bobina de supresión de arcos, una resistencia amortiguadora de alta potencia, reduciendo así la amplitud de la sobre-tensión resonante del punto neutro al 5 %–10 % de la tensión de fase. Puesto que, si la corriente capacitiva del sistema es igual a la corriente de trabajo de la bobina de supresión de arcos —es decir, si la tensión del punto neutro queda limitada por debajo del valor admisible durante la resonancia—, entonces puede lograrse el método de compensación total, que constituye el modo de funcionamiento óptimo con la corriente residual mínima. Durante una conexión a tierra, la corriente residual es muy pequeña y no provocará sobre-tensiones de arco. Por lo tanto, pueden conectarse en serie resistencias amortiguadoras de alta potencia en el circuito primario de la bobina de supresión de arcos para incrementar la tasa de amortiguamiento. La tasa de desajuste de la bobina de supresión de arcos está relacionada con la tensión y la tasa de amortiguamiento de la red eléctrica. Cuando la red eléctrica está formada, su tensión asimétrica es básicamente un valor fijo. Para garantizar una supresión eficaz de las sobre-tensiones de arco durante una conexión a tierra monofásica, se requiere que la tasa de desajuste de la bobina de supresión de arcos se encuentre dentro de ±5 %. Por consiguiente, únicamente modificando la tasa de amortiguamiento podrá variarse la tensión de desplazamiento. Así pues, debe conectarse una resistencia en serie en el circuito de la bobina de supresión de arcos para asegurar la tasa de amortiguamiento y controlar la tensión de desplazamiento del punto neutro. En redes eléctricas de baja tensión, debido a la pequeña tensión asimétrica en el punto neutro, se utiliza un transformador especializado dedicado al punto neutro para mejorar la precisión de la medición y aumentar la sensibilidad de detección; el uso de resistencias no lineales ejerce un efecto de supresión significativo sobre las sobre-tensiones causadas por la rotura de conductores y la transmisión bajo condiciones de sobrecompensación.