Fallas y Manejo de la Conexión a Tierra en Líneas de Distribución de 10kV

Rockwill

Campo: Fabricación

China

Características y dispositivos de detección de fallos a tierra monofásicos

1. Características de los fallos a tierra monofásicos

Señales centrales de alarma:
La campana de advertencia suena y se ilumina la lámpara indicadora etiquetada como «Fallo a tierra en el tramo de barra [X] kV [Y]». En sistemas con punto neutro conectado a tierra mediante una bobina de Petersen (bobina de supresión de arco), también se ilumina la indicación «Bobina de Petersen en funcionamiento».
Indicaciones del voltímetro de supervisión de aislamiento:
- El voltaje de la fase fallada disminuye (en caso de conexión a tierra incompleta) o cae a cero (en caso de conexión a tierra sólida).
- Los voltajes de las otras dos fases aumentan: por encima del voltaje de fase normal en la conexión a tierra incompleta, o alcanzando el voltaje de línea en la conexión a tierra sólida.
- En una conexión a tierra estable, la aguja del voltímetro permanece fija; si oscila continuamente, el fallo es intermitente (conexión a tierra por arco).
En sistemas con conexión a tierra mediante bobina de Petersen:
Si se instala un voltímetro de desplazamiento del neutro, este muestra una lectura determinada durante la conexión a tierra incompleta o alcanza el voltaje de fase durante la conexión a tierra sólida. También se activa la luz de alarma de tierra de la bobina de Petersen.
Fenómenos de conexión a tierra por arco:
La conexión a tierra por arco genera sobretensiones, provocando un aumento significativo del voltaje en las fases no falladas. Esto puede fundir los fusibles de alta tensión de los transformadores de tensión (TT) o incluso dañar los propios TT.

2. Diferenciación entre fallos reales a tierra y falsas alarmas

Fusible de alta tensión fundido en un TT:
Un fusible fundido en una fase del TT puede activar una señal de fallo a tierra. Sin embargo:
- En un fallo real a tierra: el voltaje de la fase fallada disminuye y los voltajes de las otras dos fases aumentan, pero el voltaje de línea permanece invariable.
- Con un fusible fundido: el voltaje de una fase disminuye, las otras dos fases no aumentan y el voltaje de línea disminuye.
Transformador alimentando una barra sin carga:
Durante la puesta en servicio, si el interruptor se cierra de forma asincrónica, el acoplamiento capacitivo desequilibrado a tierra provoca un desplazamiento del neutro y tensiones trifásicas asimétricas, lo que activa una señal falsa de fallo a tierra.
→ Esto ocurre únicamente durante operaciones de conmutación. Si la barra y los equipos conectados no presentan anomalías, la señal es falsa. La puesta en servicio de una línea de derivación o de un transformador de servicios auxiliares normalmente elimina la indicación.
Asimetría del sistema o ajuste inadecuado de la bobina de Petersen:
Durante cambios de modo operativo (por ejemplo, conmutación de configuraciones), la asimetría o una compensación incorrecta de la bobina de Petersen pueden provocar señales falsas de fallo a tierra.
→ Se requiere coordinación con el centro de despacho: revertir a la configuración original, desconectar la bobina de Petersen, ajustar su cambiador de tomas y luego volver a conectarla y conmutar nuevamente los modos.
→ La ferroresonancia durante la puesta en servicio de una barra sin carga también puede generar señales falsas. La puesta inmediata en servicio de una línea de derivación interrumpe las condiciones de resonancia y elimina la alarma.

3. Dispositivos de detección

El sistema de supervisión de aislamiento consta típicamente de un transformador de tensión trifásico de cinco columnas magnéticas, relés de tensión, relés de señal e instrumentos de supervisión.

Estructura: Cinco columnas magnéticas; un devanado primario y dos devanados secundarios, todos enrollados sobre las tres columnas centrales.
Configuración de conexión: Ynynd (primario en estrella, secundario en estrella con neutro y terciario en triángulo abierto).

Ventajas de esta configuración de conexión:

El primer devanado secundario mide tanto los voltajes de línea como los de fase.
El segundo devanado secundario está conectado en triángulo abierto para detectar la tensión homopolar.

Principio de funcionamiento:

En condiciones normales, los voltajes trifásicos están equilibrados; teóricamente, aparece tensión nula en el triángulo abierto.
Durante un fallo a tierra monofásico sólido (por ejemplo, fase A), aparece una tensión homopolar en el sistema, induciendo una tensión en el triángulo abierto.
Incluso durante una conexión a tierra no sólida (de alta impedancia), se induce una tensión en los extremos abiertos.
Cuando esta tensión alcanza el umbral de disparo del relé de tensión, tanto el relé de tensión como el relé de señal operan, activando alarmas acústicas y visuales.

Los operadores utilizan estas señales y las lecturas del voltímetro para identificar la ocurrencia y la fase del fallo a tierra, y luego informan al despachador.
⚠️ Nota: El dispositivo de supervisión de aislamiento se comparte en toda la sección de barra.

Causas de los fallos a tierra monofásicos

Conductor roto que cae a tierra o reposa sobre un travesaño;
Sujeción o fijación floja de los conductores en los aisladores, causando su caída sobre travesaños o al suelo;
Viento excesivo que hace que los conductores se acerquen demasiado a edificios;
Cable de alta tensión roto proveniente del transformador de distribución;
Falla de aislamiento en pararrayos o fusibles de 10 kV instalados en plataformas de transformadores;
Ruptura del aislamiento o conexión a tierra en una fase del devanado de alta tensión del transformador;
Descarga disruptiva o perforación del aislador;
Falla de aislamiento en fusibles de líneas de derivación;
Cable tensor desprendido del travesaño superior en postes de múltiples circuitos que entra en contacto con los conductores inferiores;
Impactos de rayos;
Contacto con árboles;
Fallos relacionados con aves;
Objetos extraños (por ejemplo, láminas de plástico, ramas);
Otras causas accidentales o desconocidas.

Peligros de los fallos a tierra monofásicos

Daño a los equipos de subestación:
Tras un fallo a tierra de 10 kV, el TT de la barra no detecta corriente, pero desarrolla tensión homopolar y una corriente incrementada en el triángulo abierto. Una operación prolongada puede dañar el TT.
Además, las sobretensiones por ferroresonancia (varias veces el voltaje normal) pueden producirse, rompiendo el aislamiento y causando fallos graves en los equipos.
Daño a los equipos de distribución:
La conexión a tierra intermitente por arco y las sobretensiones pueden perforar el aislamiento, provocando cortocircuitos, transformadores quemados y pararrayos/fusibles defectuosos, pudiendo causar incendios eléctricos.
Amenaza para la estabilidad de la red regional:
Los fallos a tierra severos pueden desestabilizar la red eléctrica local, desencadenando fallos en cascada.
Riesgo para personas y animales:
Los conductores caídos energizan el suelo, creando peligros de tensión de paso. Peatones, técnicos linieros (especialmente durante patrullajes nocturnos) y ganado cercanos al lugar del fallo corren riesgo de descarga eléctrica o electrocución.
Impacto en la fiabilidad del suministro eléctrico:
- Requiere selección manual de la línea afectada.
- Las líneas no afectadas pueden desconectarse innecesariamente durante la localización del fallo, interrumpiendo el suministro a clientes no afectados.
- La localización y reparación del fallo requieren la desconexión de la línea, especialmente difícil durante las temporadas de cultivo, condiciones meteorológicas adversas (viento, lluvia, nieve), o en zonas montañosas/boscosas y durante la noche, lo que conduce a interrupciones prolongadas, generalizadas.
Pérdidas de energía en la línea:
Los fallos a tierra provocan importantes corrientes de fuga a tierra, representando una pérdida directa de energía. Las normativas suelen limitar la operación con fallo a tierra a un máximo de 2 horas para evitar un desperdicio excesivo.
Cuantificación de la pérdida de energía eléctrica:
La corriente media de fallo a tierra oscila entre 6 y 10 A. A niveles típicos de 10 kV, esto representa aproximadamente 34 560 kWh de energía desperdiciada por período de 24 horas.

Métodos y procedimientos para manejar fallos a tierra monofásicos

Dispositivos automáticos de selección de línea con fallo a tierra de baja corriente:
Instalar dispositivos automáticos de selección de línea con fallo a tierra en las subestaciones. Estos dispositivos trabajan junto con los transformadores de corriente homopolar (TCH) instalados en cada salida de línea de derivación para identificar con precisión la línea afectada antes de su aislamiento.
Sistemas de detección de fallos a tierra monofásicos:
Los sistemas modernos de distribución implementan inyectores de señal en el inicio, medio y final de las líneas de derivación. Los indicadores de fallo localizan con exactitud la ubicación del fallo, permitiendo una respuesta rápida.
Medidas preventivas:
- Realizar inspecciones periódicas de las líneas: verificar las distancias de separación entre conductores y árboles/edificios, nidos de aves en postes, sujeción segura de los conductores en los aisladores, tornillos flojos en aisladores/travesaños/cables tensores, cables tensores rotos o deshilachados, y flecha anormal de los conductores.
- Realizar ensayos periódicos del aislamiento de aisladores, fusibles de líneas de derivación y pararrayos; sustituir inmediatamente los elementos defectuosos.
- Realizar ensayos rutinarios en transformadores de distribución; reparar o sustituir los unidades defectuosas.
- Instalar fusibles de líneas de derivación en líneas rurales para limitar el alcance del fallo, reducir el área y la duración de las interrupciones y acelerar la localización del fallo.