Métodos de Conexión a Tierra Neutra para Sistemas Eléctricos de Ferrocarriles de Velocidad Convencional

Los sistemas de alimentación ferroviaria se componen principalmente de líneas de bloqueo automático, líneas de alimentación a través de alimentadores, subestaciones y estaciones de distribución ferroviarias, y líneas de suministro eléctrico de entrada. Proporcionan electricidad para operaciones ferroviarias críticas, incluyendo señales, comunicaciones, sistemas de material rodante, manejo de pasajeros en las estaciones e instalaciones de mantenimiento. Como parte integral de la red eléctrica nacional, los sistemas de alimentación ferroviaria presentan características distintivas tanto de la ingeniería eléctrica como de la infraestructura ferroviaria.

Intensificar la investigación sobre métodos de puesta a tierra del neutro en sistemas de alimentación ferroviaria de velocidad convencional, y considerar estos métodos de manera integral durante el diseño, construcción y operación, es altamente significativo para mejorar la seguridad y confiabilidad del suministro eléctrico ferroviario.

1. Visión general de los métodos de puesta a tierra del neutro en los sistemas de alimentación ferroviaria

El método de puesta a tierra del neutro en los sistemas de alimentación ferroviaria se refiere típicamente a la configuración de puesta a tierra de los transformadores, una forma de puesta a tierra funcional (de trabajo) estrechamente relacionada con el nivel de tensión, la corriente de falla monofásica al suelo, los niveles de sobretensión y los esquemas de protección por relés. Es un problema técnico complejo que puede clasificarse ampliamente en:

• Sistemas no sólidamente puestos a tierra: incluyen sistemas sin puesta a tierra, puesta a tierra con bobina de supresión de arco (bobina Petersen) y puesta a tierra de alta resistencia;

• Sistemas sólidamente puestos a tierra: incluyen puesta a tierra directa y puesta a tierra de baja resistencia.

La alimentación eléctrica desde la red nacional a las vías férreas adopta universalmente una configuración de neutro no puesto a tierra. Los circuitos de alimentación desde las subestaciones y estaciones de distribución ferroviarias se toman generalmente directamente de la barra secundaria (ubicada después de la barra de entrada de energía pero antes del regulador de voltaje), empleando así también un sistema de neutro no puesto a tierra. Para las líneas de alimentación a través de alimentadores, el método de puesta a tierra del transformador regulador de voltaje puede seleccionarse según las necesidades reales.

A diferencia de los sistemas de alimentación ferroviaria de alta velocidad, que comúnmente utilizan puesta a tierra de baja resistencia, los sistemas de velocidad convencional emplean predominantemente configuraciones de neutro no puesto a tierra. Aunque este enfoque ofrece ciertas ventajas, las normas de seguridad en evolución y las actualizaciones técnicas en curso justifican la reevaluación de las estrategias de puesta a tierra en el contexto operativo actual.

2. Ventajas y limitaciones de los sistemas de neutro no puesto a tierra

De acuerdo con el Código de Diseño de Alimentación Ferroviaria (TB 10008–2015), la configuración de las líneas de alimentación a través de alimentadores debe determinarse en función de la confiabilidad del suministro de energía y las condiciones específicas del proyecto, utilizando líneas híbridas de cableado aéreo-cable o líneas de cable completamente subterráneas.

Debido a las restricciones presupuestarias y la viabilidad técnica, la mayoría de las líneas de alimentación a través de alimentadores en funcionamiento de vías férreas de velocidad convencional dependen actualmente principalmente de conductores aéreos o configuraciones híbridas dominadas por el cableado aéreo. En consecuencia, sus esquemas de puesta a tierra del neutro adoptan típicamente sistemas de neutro aislado (no puesto a tierra) o de puesta a tierra de pequeña corriente. Según el Artículo 69 de las Reglas de Gestión de Alimentación Ferroviaria, las fallas monofásicas al suelo en tales sistemas deben abordarse de inmediato, con un tiempo de operación permitido de falla generalmente no superior a 2 horas.

Los datos operativos de un segmento específico de una administración ferroviaria entre enero y octubre de 2023 registraron 152 cortes de energía, de los cuales 15 fueron fallas relacionadas con equipos (2 atribuibles a responsabilidad interna, 13 a factores externos). Notablemente, los peligros ambientales, especialmente la intrusión de vegetación, representan la principal amenaza a la estabilidad de las líneas aéreas. En un incidente, las ramas de un árbol invadieron la zona de despeje, causando una conexión parcial fase-tierra en un conductor lateral. La falla fue identificada y resuelta dentro del plazo de 2 horas, evitando cualquier impacto en las operaciones de tren y preveniendo fallos en cascada. Esto demuestra que, bajo las condiciones técnicas existentes, los sistemas de neutro no puesto a tierra ofrecen beneficios prácticos.

Sin embargo, las líneas de cable presentan desafíos diferentes. En comparación con las líneas aéreas, los cables de potencia tienen márgenes de aislamiento más bajos y tolerancia limitada a sobretensiones. Durante una falla monofásica al suelo en un sistema no puesto a tierra, las tensiones de las fases sanas aumentan por encima de los niveles normales fase-tierra, llegando potencialmente a la tensión línea-línea, lo que incrementa el riesgo de ruptura de aislamiento en múltiples puntos en las fases no fallidas. Además, las corrientes de falla capacitivas en los sistemas de cable son relativamente grandes, lo que lleva a una rápida degradación del aislamiento en el punto de falla y a una alta probabilidad de evolucionar hacia cortocircuitos interfase.

Dado que los cables se instalan típicamente mediante enterramiento, conducción o bandejas, la localización de fallas es difícil. Combinado con las limitaciones en las técnicas de unión de cables, la logística de reparación y las ventanas operativas ferroviarias, estas fallas a menudo no pueden resolverse rápidamente. En la práctica, las fallas de cable son predominantemente debidas a la ruptura permanente del aislamiento, ya que los materiales de aislamiento orgánicos no pueden recuperarse por sí mismos. En un sistema no puesto a tierra, la falta de desconexión inmediata permite corrientes de falla prolongadas, causando daños graves al aislamiento, expandiendo la zona de falla y potencialmente desencadenando problemas secundarios como alarmas de pantalla de energía o incluso fallas de señal "zona roja" que interrumpen los servicios de tren, a veces resultando en interrupciones prolongadas y riesgos significativos de seguridad o relaciones públicas.

3. Selección de métodos de puesta a tierra del neutro para los sistemas de alimentación ferroviaria de velocidad convencional

La selección del método de puesta a tierra del neutro adecuado es crucial para la operación estable de la alimentación ferroviaria. El desafío central radica en equilibrar:

• Minimizar los desconexiones innecesarias causadas por perturbaciones externas,

• Garantizar la continuidad del suministro de energía a cargas críticas,

• Permitir una protección efectiva contra fallas,

• Controlar la propagación de fallas, y

• Mantener la integridad eléctrica y de aislamiento de los equipos sanos durante las fallas.

Según el Código de Diseño de Alimentación Ferroviaria (TB 10008–2015), para las líneas de alimentación a través de alimentadores de 10(20) kV suministradas a través de reguladores de voltaje, se aplican las siguientes pautas de puesta a tierra:

• Si la corriente de fuga a tierra en monofásico ≤ 10 A, se debe utilizar un sistema aislado.

• Si la corriente ≤ 150 A, se puede adoptar una conexión a tierra de baja resistencia o una conexión a tierra con bobina de supresión de arco; si > 150 A, se recomienda la conexión a tierra de baja resistencia.

• Las líneas completamente cableadas deben preferentemente usar la conexión a tierra de baja resistencia.

• Para la conexión a tierra de baja resistencia, el resistor de conexión a tierra debe seleccionarse para producir una corriente de fuga en monofásico de 200-400 A, con desenchufe instantáneo al detectar un fallo.

En contraste, el Código de Diseño de Ferrocarriles de Alta Velocidad (TB 10621–2014) permite sistemas neutrales aislados cuando la corriente de fuga capacitiva ≤ 30 A, con compensación proporcionada a través de un reactor conectado a tierra en el neutro.

Basándose en cálculos de manuales estándar de ingeniería eléctrica ferroviaria, las longitudes máximas permitidas de cables comunes de núcleo de aluminio (secciones transversales de 70 mm² y 95 mm²) correspondientes a corrientes de fuga en monofásico de 10 A, 30 A, 60 A, 100 A y 150 A se resumen en la Tabla 1. Estos valores pueden guiar la selección de un método de conexión a tierra apropiado basado en la longitud real del cable.

La conexión a tierra a través del punto neutro permite la rápida eliminación de fallos. La protección de secuencia cero puede operar en 0.2–2.0 segundos para aislar el fallo, reduciendo la probabilidad de incidentes eléctricos permanentes secundarios y protegiendo la fiabilidad y la vida útil del aislamiento de los equipos de potencia.

4. Comparación de Métodos Comunes de Conexión a Tierra del Neutro

4.1 Sistema con Neutro No Conectado a Tierra

El método de neutro no conectado a tierra ofrece la ventaja de suministro continuo de energía durante 1-2 horas en caso de fallos de tierra monofásicos en líneas dominadas por conductores aéreos. Sin embargo, en líneas dominadas por cables, este método tiende a causar una escalada del fallo.

4.2 Conexión a Tierra del Neutro a Través de Bobina Supresora de Arco

En comparación con el sistema de neutro no conectado a tierra, este método utiliza la corriente inductiva de la bobina supresora de arco para compensar la corriente capacitiva, reduciendo la corriente de fallo a tierra a un nivel que puede autoextinguirse, minimizando así las sobretensiones inducidas por arcos. También permite 1-2 horas de operación continua durante fallos de tierra monofásicos y evita que los fallos monofásicos se desarrollen en fallos entre fases. Sin embargo, este método impone requisitos más altos para la protección contra fallos a tierra, no puede identificar la línea defectuosa, es propenso a la resonancia y no puede descargar eficazmente las cargas residuales en la línea.

4.3 Conexión a Tierra del Neutro a Través de Baja Resistencia

En líneas dominadas por cables, el método de conexión a tierra de baja resistencia controla eficazmente las sobretensiones de arco a tierra durante fallos de tierra monofásicos, suprime las sobretensiones resonantes del sistema, proporciona buenos efectos limitadores de corriente y reductores de tensión, y ofrece un rendimiento relativamente alto de protección contra sobrecorrientes de secuencia cero, facilitando la eliminación oportuna de fallos. Sin embargo, este método tiene limitaciones, especialmente en secciones de línea aérea: el aumento de la frecuencia de salto afecta la operación del sistema de potencia, debilita la capacidad de suministro de energía y aumenta la dificultad de mantenimiento del equipo en cierta medida.

5. Discusión sobre Métodos de Conexión a Tierra del Neutro para Sistemas de Potencia Ferroviaria

(1) Mejorar la utilización de dispositivos de bobinas supresoras de arco con seguimiento automático. Este enfoque tiene la ventaja de eliminar automáticamente los fallos de tierra transitorios en el sistema de potencia, reduciendo así el número de saltos. Cuando se emite una señal de alarma de fallo, la bobina supresora de arco con seguimiento automático genera una corriente de compensación correspondiente, permitiendo la recompensación de la línea de potencia. Esto reduce la ocurrencia de fallos de cortocircuito entre las tres fases y asegura la estabilidad y seguridad del sistema. Al mismo tiempo, dado que el dispositivo supresor de arco tiene un valor crítico específico de extinción de arco, si la corriente de fallo a tierra es menor que este valor crítico, la velocidad de recuperación de tensión aumenta bajo la acción del dispositivo supresor de arco, ayudando a extinguir el arco de manera confiable y reduciendo la probabilidad de reencendido del arco, lo que disminuye los incidentes de potencia y apoya eficazmente la operación de conexión a tierra neutral confiable.

(2) Durante la renovación de las líneas existentes de alimentación a través de vía y bloqueo automático, si las líneas de cable—después de reemplazar las líneas aéreas—representan una proporción significativa, se recomienda considerar la compensación centralizada o distribuida utilizando reactancias en caja para compensar la potencia reactiva inductiva bajo condiciones normales de corriente capacitiva. Según los resultados de cálculo en la Tabla 2, los valores de capacitancia operativa son 0.22 μF/km para el cable de aluminio de 70 mm² y 0.24 μF/km para el cable de aluminio de 95 mm². Al mismo tiempo, se deben considerar modificaciones de adaptabilidad en las salas de distribución, y los métodos de conexión a tierra neutral de los reguladores de tensión en las salas de distribución de ambos lados deben ajustarse en consecuencia según los datos calculados.

En casos extremos, si el sistema no está conectado a tierra y se utilizan cables de un solo núcleo que cumplen con los estándares de ferrocarriles de alta velocidad, una falla de toma de tierra en fase única no se eliminará dentro del período permitido de 2 horas. Esto causa daños térmicos continuos al cable. Además, después de que un cable de un solo núcleo se daña, su impacto en las fases adyacentes es relativamente débil, lo que agrava aún más la situación al no desencadenar el salto protector, lo que puede llevar fácilmente a fallos sistémicos.

6. Conclusión

En los sistemas de energía de ferrocarriles de velocidad convencional, la selección del método de conexión a tierra del neutro afecta directamente la seguridad y estabilidad de la operación del sistema. Una elección inadecuada del esquema de conexión a tierra del neutro puede resultar fácilmente en fallas secundarias e incidentes en cascada. A través del cálculo y análisis comparativo, una selección integral y racional del método de conexión a tierra del neutro es de gran importancia para eliminar eficazmente las fallas, proteger el aislamiento del equipo, garantizar el suministro confiable de energía de tracción y mejorar la seguridad tanto de las personas como de la operación de los trenes.