Cable de Tierra o Cable de Guardia

Definición de Cable Aéreo de Tierra (Cable de Tierra)

Un cable aéreo de tierra, también conocido como cable de tierra, es un componente crucial de los sistemas de protección contra rayos. Consiste en uno o más conductores que se instalan por encima de la línea de transmisión, extendiéndose de una estructura de soporte a otra. Estos cables están meticulosamente conectados a tierra a intervalos regulares a lo largo de su longitud.

La función principal del cable de tierra es interceptar los rayos directos que de otro modo apuntarían a los conductores de fase de la línea de transmisión. Al desviar la corriente del rayo de manera segura hacia el suelo, protege los conductores eléctricos críticos de posibles daños, asegurando así la operación ininterrumpida del sistema de transmisión de energía. Es importante señalar que, aunque es altamente efectivo contra los rayos, el cable de tierra no tiene impacto en la mitigación de las sobretensiones de conmutación, que son causadas por diferentes fenómenos eléctricos dentro del sistema de potencia.

Cuando un rayo golpea en el centro de un cable de tierra, se generan ondas eléctricas que se propagan en direcciones opuestas a lo largo de la línea. Estas ondas llegan eventualmente a las torres de transmisión adyacentes, que están diseñadas para canalizar de manera segura la energía eléctrica hacia el suelo. Sin embargo, la eficacia del cable de tierra depende de un factor clave: la resistencia entre la base de la torre y la tierra debe mantenerse suficientemente baja. Un valor de resistencia alto puede impedir la disipación eficiente de la corriente del rayo, reduciendo la capacidad del cable de tierra para proteger la línea de transmisión y potencialmente llevando a sobretensiones y daños en el equipo.

Si la resistencia entre la base de la torre y la tierra no es baja, y el cable de tierra o la torre es alcanzado por un rayo, este inducirá un potencial extremadamente alto. Este alto potencial puede causar un salto de arco desde la torre a uno o más conductores de fase. Este fenómeno se conoce como salto de retorno.

El salto de retorno ocurre específicamente cuando el producto de la corriente de la torre y la impedancia de la torre supera los niveles de aislamiento de la línea de transmisión. Para mitigar este riesgo, un enfoque efectivo es reducir la resistencia de la base de la torre. En áreas con alta resistividad del suelo, se utilizan comúnmente varillas enterradas y contrapoyos.

Un contrapoyo es un conductor enterrado en el suelo, generalmente hecho de acero galvanizado. Para un terminal aéreo, el contrapoyo funciona como un terminal de tierra especializado. Su papel es disminuir la impedancia de surto de la conexión a tierra y mejorar el acoplamiento entre el cable de tierra y el conductor, mejorando así el rendimiento general de la protección contra rayos del sistema.

En las líneas de transmisión, se utilizan dos tipos principales de contrapoyos: el contrapoyo paralelo y el contrapoyo radial.

Contrapoyo Paralelo

El contrapoyo paralelo consiste en uno o más conductores colocados bajo tierra a lo largo de toda la longitud de la línea de transmisión. Estas líneas de contrapoyo están conectadas al cable aéreo de tierra en cada torre y poste. Esta configuración ayuda a distribuir uniformemente la corriente eléctrica durante un rayo, reduciendo el potencial de acumulación de altos voltajes y minimizando la probabilidad de saltos de retorno.

Contrapoyo Radial

El contrapoyo radial se caracteriza por una serie de cables que se extienden en un patrón radial desde la base de las patas de la torre. La cantidad y longitud específicas de estos cables se determinan cuidadosamente basándose en dos factores críticos: la ubicación geográfica de la torre y las condiciones del suelo predominantes. Estas variables juegan un papel significativo en la optimización de la eficacia del contrapoyo para reducir la resistencia de la base de la torre y mejorar la protección general contra rayos de la línea de transmisión.

Ángulo de Protección o Ángulo de Escudo

El ángulo de protección o ángulo de escudo se define como la medición angular entre la alineación vertical del cable de tierra y el conductor de fase que requiere protección. Convencionalmente, este ángulo se mide como el ángulo formado entre la línea vertical que pasa por el cable de tierra y la línea que conecta el cable de tierra con el conductor de fase más externo. Este ángulo sirve como un parámetro crucial en el diseño y evaluación de los sistemas de protección contra rayos de las líneas de transmisión aéreas, ya que influye directamente en la capacidad del cable de tierra para interceptar los rayos y proteger los conductores de fase de posibles daños.

Optimización de Configuraciones de Protección y Cables de Tierra

Para una protección óptima contra los rayos en las líneas de transmisión aéreas, es crucial minimizar el ángulo de protección. Se considera que los ángulos entre 20° y 30° son altamente efectivos y seguros para proporcionar una protección adecuada a los conductores de fase. Los ingenieros generalmente evitan establecer el ángulo de protección por encima de 40°, ya que hacerlo reduce significativamente la eficiencia de la protección y aumenta el riesgo de que los rayos golpeen directamente los conductores.

En los sistemas de potencia de alto voltaje contemporáneos, que a menudo presentan conductores con mayor separación, se ha convertido en la norma el uso de una configuración de dos cables de tierra. Esta configuración ofrece una protección superior en comparación con los sistemas de un solo cable tradicionales. El uso de dos cables de tierra no solo mejora la cobertura y las capacidades de intercepción contra los rayos, sino que también aporta varias ventajas eléctricas. Por ejemplo, la impedancia de surto de un sistema de dos cables de tierra es menor, lo que permite una disipación más eficiente de los sobretensiones eléctricas inducidas por rayos. Además, la presencia de dos cables aumenta el efecto de acoplamiento entre los cables de tierra y los conductores de fase. Este acoplamiento mejorado ayuda a equilibrar mejor las cargas eléctricas, reduciendo aún más la probabilidad de sobretensiones y mejorando la confiabilidad y resiliencia general de la infraestructura de transmisión de alto voltaje.