Manejo de fallas de tierra en una fase en líneas de distribución de 35kV

Líneas de Distribución: Un Componente Clave de los Sistemas Eléctricos

Las líneas de distribución son un componente principal de los sistemas eléctricos. En la misma barra de bus de nivel de tensión, se conectan múltiples líneas de distribución (para entrada o salida), cada una con numerosas ramificaciones dispuestas radialmente y conectadas a transformadores de distribución. Después de ser reducida a baja tensión por estos transformadores, la electricidad se suministra a una amplia gama de usuarios finales. En estas redes de distribución, frecuentemente ocurren fallos como cortocircuitos entre fases, sobrecorriente (sobrecarga) y fallos monofásicos a tierra. Entre estos, los fallos monofásicos a tierra son los más comunes, representando más del 70% de los fallos totales del sistema. Además, muchos fallos de cortocircuito evolucionan a partir de fallos monofásicos a tierra que se convierten en fallos multifásicos a tierra.

Los fallos monofásicos a tierra se refieren a situaciones en las que cualquiera de las tres fases (A, B o C) de una línea de distribución se rompe y cae al suelo, entra en contacto con árboles, edificios, postes o torres, formando una ruta conductiva con la tierra. También pueden resultar de sobretensiones causadas por rayos u otras condiciones atmosféricas, lo que daña el aislamiento del equipo de distribución, causando una disminución significativa en la resistencia aislante a tierra.

Cuando ocurre un fallo monofásico a tierra en un sistema de tierra de corriente baja, no se forma inmediatamente un bucle de fallo completo. La corriente de tierra capacitiva es mucho menor que la corriente de carga, y las tensiones de línea del sistema permanecen simétricas, por lo que el suministro de energía a los usuarios no se interrumpe de inmediato. Por lo tanto, las regulaciones permiten la operación continua con un fallo a tierra durante hasta 2 horas. Sin embargo, la tensión en las fases no afectadas aumenta en relación con la tierra, lo que representa una amenaza para el aislamiento. Por lo tanto, las líneas con un fallo a tierra existente deben identificarse y abordarse rápidamente.

I. Identificación de Fallos Monofásicos a Tierra en Barras Auxiliares de 35kV

Cuando ocurren fallos monofásicos a tierra, ferroresonancia, pérdida de fase o fusibles de alta tensión en transformadores de voltaje (VT), los fenómenos observados pueden ser similares, pero un análisis cuidadoso revela diferencias distintas.

• Fallo Monofásico a Tierra:
  La subestación y el sistema SCADA emitirán señales como “tierra en la barra de 35kV” o “activado el bobinado de supresión de arco N° X”. La protección por relés no se activa, pero desencadena señales de alarma. La tensión de la fase afectada disminuye, mientras que las tensiones de las otras dos fases aumentan. La luz indicadora del VT de la fase afectada se atenúa, mientras que las otras dos se intensifican. En un fallo a tierra sólido (metálico), la tensión de la fase afectada disminuye a cero, y las otras dos tensiones fase-tierra aumentan √3 veces, mientras que las tensiones de línea permanecen inalteradas. La salida 3V₀ del VT lee alrededor de 100V, y se ilumina la luz de supresión armónica. El bobinado de supresión de arco lleva corriente, igual a la corriente de compensación correspondiente a su ajuste. Si se instala un selector de línea de fallo de corriente pequeña, se activará e identificará la línea afectada. Si el fallo está dentro de la subestación, signos físicos como arcos visibles, humo y ruidos eléctricos fuertes hacen que sea más fácil identificar el punto de fallo.

• Ferroresonancia:
  Se genera una tensión de desplazamiento en el punto neutro, alterando las tensiones de las tres fases. Típicamente, la tensión de una fase aumenta mientras que las otras dos disminuyen, o viceversa, y las tensiones de línea también cambian en consecuencia. Dado que la tensión del punto neutro no es cero, fluye corriente a través del bobinado de supresión de arco, y pueden aparecer señales de “tierra en la barra” dependiendo de la magnitud de la tensión de desplazamiento.

• Pérdida de Fase:
  La tensión en el lado aguas arriba de la fase perdida aumenta a 1.5 veces la tensión normal, mientras que la tensión aguas abajo disminuye a cero. La corriente en la fase afectada se vuelve cero, y las tensiones de las otras dos fases disminuyen ligeramente. Las tensiones de línea permanecen inalteradas. 3V₀ lee alrededor de 50V, el bobinado de supresión de arco lleva corriente, y se emite una señal de tierra. Es probable que los usuarios reporten apagones.

• Fusible de Alta Tensión del VT Fundido:
  La tensión de la fase fundida disminuye significativamente (típicamente por debajo de la mitad de la tensión normal de fase), mientras que las tensiones de las otras fases no aumentan. Las tensiones de línea se vuelven asimétricas. Todas las salidas de la barra desencadenan una alarma de “circuito de tensión abierto”. 3V₀ lee aproximadamente 33V, y se emite una señal de tierra.

Aunque estas cuatro condiciones—fallo monofásico a tierra, ferroresonancia, pérdida de fase y fusible de VT fundido—presentan síntomas similares, un análisis exhaustivo de las tensiones de fase, las tensiones de línea, 3V₀, la corriente del bobinado de supresión de arco, las señales de automatización SCADA y los informes de los operadores de la sala de control puede distinguir con precisión un fallo monofásico a tierra.

II. Proceso de Manejo de Fallos Monofásicos a Tierra en Barras Auxiliares de 35kV

Cuando ocurre un fallo de tierra en una línea de 35kV, la barra de 35kV de la subestación Wan’an emite una alarma de tierra. Se debe notificar inmediatamente al personal de la estación central para inspeccionar el equipo y el estado de la protección en la estación (incluyendo la tensión 3V₀, el estado del selector de línea de fallo de corriente pequeña, la temperatura/corriente del bobinado de supresión de arco, etc.), y se debe enviar un equipo de operación de línea para patrullar la línea. Después de recibir la confirmación de la estación central de un fallo a tierra, se deben realizar pruebas de conmutación (pruebas de desconexión) de las líneas. Antes de las pruebas de conmutación, se deben notificar a los usuarios críticos.

Para sistemas sin dispositivos de prueba de conmutación, es posible la desconexión remota a través de SCADA, pero primero se deben transferir las cargas en las subestaciones aguas abajo. En sistemas con conexiones de puente internas, se deben deshabilitar los interruptores automáticos de transferencia (ATS) para evitar que transfieran el fallo a secciones sanas.Una vez que se identifica una línea específica como la afectada, se debe priorizar la transferencia de su carga antes de sacarla de servicio. Luego, se debe notificar al equipo de operación de línea y al personal de la estación central para patrullar la línea de 35kV e inspeccionar el equipo de 35kV en la subestación asociada de 35kV.

Para prevenir que el fallo se agrave a un cortocircuito entre fases, lo que podría causar apagones repentinos, el equipo defectuoso debe localizarse y aislarse rápidamente. Además, para prevenir el sobrecalentamiento y daño del bobinado de supresión de arco, el equipo defectuoso generalmente debe aislarse dentro de 2 horas. Se debe monitorear el aumento de temperatura del bobinado y mantenerlo por debajo de 55°C. Si se excede, se debe detener inmediatamente la operación monofásica a tierra y desconectar el equipo defectuoso. Si la condición de tierra persiste más allá de 2 horas, la situación debe reportarse a la gerencia superior.

III. Conclusión

Cuando ocurre un fallo monofásico a tierra en una línea de distribución, la magnitud y la fase de la tensión de línea permanecen inalteradas, permitiendo la operación a corto plazo sin desconectar el equipo defectuoso. Aunque esto mejora la confiabilidad del suministro, la tensión en las dos fases sanas aumenta a niveles de línea a línea, aumentando el riesgo de ruptura del aislamiento y cortocircuitos subsiguientes de dos fases a tierra. Esto presenta riesgos significativos para la operación segura y económica del equipo de la subestación y la red de distribución. Por lo tanto, dichos fallos deben prevenirse cuando sea posible, y una vez que ocurran, el punto de fallo debe localizarse y eliminarse rápidamente para mejorar la confiabilidad general del suministro de energía.