DISEÑO DE UN SISTEMA DE PROTECCION CONTRA DERIVACIONES A TIERRA DE CATENARIAS DE CORRIENTE CONTINUA
Jesús Montesinos Ortuño
Los sistemas de tracción eléctrica de los trenes en corriente continua, disponen de unos sistemas de protecciones normalmente ubicados en la subestación, que permiten detectar cualquier anomalía en la línea aérea de contacto, catenaria, provocando la actuación de las protecciones en las dos subestaciones que alimentan el trayecto comprendido entre ellas. Los sistemas de protección están basados en detección por tensión o detección por corriente de tierra.El sistema que se describe, es el denominado "protección contra derivaciones a tierra de la línea aérea de contacto mediante detección por corriente", y permite detectar cualquier posible derivación de la línea sobre algún apoyo o elemento metálico, e inclusive por caída sobre el suelo.
SISTEMA DE PROTECCION A TIERRA DE CATENARIAS
CONSIDERACIONES PREVIAS
El circuito de alimentación a los trenes en corriente continua, se inicia en el rectificador, pasando despues a los sistemas de protección, feederes y catenaria. El pantágrafo cierra el circuito a través de los motores de las máquinas, siendo el circuito de retorno formado por los carriles el que canaliza de nuevo la corriente hacia el negativo del rectificador. En la subestación rectificadora el negativo se conecta a la tierra general como potencial de referencia y como retorno de corrientes vagabundas.
Cuando se produce una derivación de la catenaria sobre un apoyo, tierra o en general sobre algún elemento puesto a tierra, no toda la corriente circula ya por los carriles, sino que una parte de ella se canaliza a través de las tierras de protección del trayecto hacia la tierra de la subestación y de ésta al negativo del rectificador.
El sistema de protección contra derivaciones se fundamenta en la detección de las corrientes de retorno que circulan por tierra en su camino hacia el negativo del rectificador, produciendo la desconexión del disyuntor correspondiente cuando el valor de la intensidad de derivación es superior al valor de tarado prefijado en la protección.
Para obtener los umbrales de intensidad de protección es necesario determinar cual es el valor de la corriente de retorno que circula por tierra, en condiciones normales de funcionamiento del sistema, y que correspondería a la intensidad mínima de derivación, y por otra parte el valor de la resistencia del sistema de tierras de la instalación, que nos permitiría conocer el valor de la intensidad máxima de derivación, pudiendo discriminar a partir de estos valores de intensidad el funcionamiento normal del anormal de la instalación.
CALCULO RESISTENCIA DE LA INSTALACION DE TIERRAS A LA LINEA
El circuito eléctrico correspondiente a la red de tierras de un trayecto entre dos subestaciones sería el que se indica en la figura, considerando que el punto A, es el punto de medida o punto donde se produce la derivación, y que existen un número indeterminado de tierras hacia uno y otro lado del punto considerado.
Como los valores de las tierras unitarias pueden ser variables en función del tipo de terreno, para la realización de los cálculos se ha considerado que todas las tierras unitarias tienen un único valor de 10 ohmios, y que la distancia entre ellas es de 1 km. y que están unidas entre sí por un cable de tierra de aluminio-acero de 110 mm2, con resistencia de 0.307 ohmios.km.
CALCULO DEL VALOR DE LA RESISTENCIA OHMNICA EN EL PUNTO A, CONSIDERANDO QUE A AMBOS LADOS DE DICHO PUNTO LOS TRAMOS DE LA LINEA PUEDEN SER VARIABLES
El valor de la resistencia en el punto A, lo representamos gráficamente, comprobando de esta forma que la resistencia del conjunto de la instalación de tierra no disminuye aunque aumentemos indefinidamente el número de secciones consideradas a cada lado del punto central, sino que la resistencia se mantiene constante e igual a 0,87 ohmios, para las condiciones consideradas.
VALOR DE LA INTENSIDAD DE DERIVACION
Se calcula a continuación el valor que alcanzaría la intensidad cuando se produzca una derivación, entre la catenaria y cualquier poste de apoyo o estructura metálica conectada al sistema de tierras.
El circuito equivalente simplificado corresponde al que se indica en la figura
Dónde:
Rt sería el valor del conjunto de tierras del trayecto.
Rs sería la resistencia a tierra de cada subestación colateral.
Rl sería la resistencia de línea aérea de contacto.
En estas condiciones obtendríamos los valores de intensidad, en función de los distintos valores de resistencia de la instalación de tierras (Rt) y para distintas distancias de trayecto entre dos subestaciones. Cuando la derivación se produjera en el punto central del trayecto, se obtendría el valor mínimo de la intensidad de derivación.
Resolviendo el circuito eléctrico simplificado para distintos valores de tierra de subestación y distancia entre subestaciones, obtenemos los distintos valores de intensidad en el centro del trayecto para distintas condiciones.
GRAFICA DE INTENSIDAD DE DERIVACION ENTRE CATENARIA Y CIRCUITO DE TIERRAS EN EL CENTRO DEL TRAYECTO, EN FUNCION DE LA DISTANCIA ENTRE SUBESTACIONES Y CON RESISTENCIA DE TIERRAS EN LA SUBESTACION DE 0.25 OHMNIOS PARA UNA CATENARIA TIPO CR-160
Hemos de considerar que el valor más importante es el valor de la intensidad en el centro del trayecto entre dos subestaciones, ya que para otra distancia distinta del centro, siempre hay una subestación que está más cerca del punto de la derivación, y por tanto el valor de intensidad, enla subestación más cercana, siempre será mayor que el valor correspondiente al centro del trayecto.
TARADO DEL RELE DE PROTECCION CONTRA DERIVACIONES
A pesar de que los carriles están aislados de tierra mediante las traviesas y el balasto, la gran superficie de contacto como consecuencia de su elevada longitud, hace que presenten una determinada resistencia respecto de tierra y que será menor conforme sea mayor la longitud del trayecto entre dos subestaciones. Así, una pequeña parte de la corriente de tracción en lugar de regresar a la subestación por los carriles, se derivará hacia el balasto, tierra, y regresará por ella hacia la subestación. El valor de esta corriente no será el mismo cuando el conjunto carril/traviesa/balasto este mojado o seco, e incluso por el día o por la noche.
Comprobaciones experimentales, indican que el valor de esta corriente para un trayecto tipico de 18-20 km. de longitud, con balasto tipo siliceo, no mojado, y con una temperatura entre 20 y 35 grados es del orden de 20-30 Amperios para un consumo de 1000 A. No obstante por las diferentes condiciones particulares de cada trayecto entre dos subestaciones, es conveniente que antes de la colocación del relé de protección, se coloque un shunt y que se realize la medición de la corriente que circula en condiciones normales, tanto para el día como para la noche, así como seco y mojado por la lluvia.
Con valores de corriente de derivación propia de los carriles del orden de 30-40 y hasta incluso de 100 A, en condiciones extremas, podemos establecer dos bandas perfectamente diferenciadas para determinar si se ha producido o no un defecto en la instalación controlada. Así, valores de corriente por debajo de 200 A no deberán producir ninguna actuación de las protecciones, siendo las corrientes superiores a dicho valor, las que deberán provocar la desconexión de los disyuntores extrarrapidos correspondientes.
La discriminación del trayecto donde se ha producido la derivación se obtiene mediante la comparación electrénica del valor de intensidad que circula por cada disyuntor con el valor de la intensidad que circula por el relé de derivación. Cuando en este relé se alcanza el nivel prefijado de tarado, se producirá la desconexión automática del disyuntor o disyuntorers cuyo valor de corriente sea igual o superior al valor de la corriente que circula por el relé de derivación.
MONTAJE DEL RELE DE DE PROTECCION
Para la instalación del relé de protección contra derivaciones es necesario que el circuito de retorno reuna las siguientes condiciones:
* Los carriles y cables de unión entre ellos deberín estar aislados de tierra en toda la longitud del trayecto entre dos subestaciones.
* Los cables de unión entre los carriles y el negativo del rectificador deberán disponer de aislamiento eléctrico respecto de tierra. Siendo aconsejable que los cables tengan aislamiento de PVC de 750 V.
* Se deberá comprobar exahustivamente el aislamiento en los empalmes, canalizaciones y cruces de vía.
* En las juntas inductivas se deberá comprobar que el neutro no está conectado a tierra.
Comprobado el aislamiento eléctrico tanto de la vía como de los cables de unión al negativo del rectificador, respecto de tierra, sólo queda unir la tierra general de la subestación con el negativo del rectificador y controlar la corriente que circula por dicho conductor. Esta unión se puede realizar en la misma arqueta de la tierra general, mediante dos pletinas de cobre, tal y como se indica en la fotografía.
La pletina de la izquierda está unida al conjunto de tierras generales de la subestación, mediante las propias picas que la soportan y dos cables desnudos de 150 mm2 que unidos a la dicha pletina conforman un anillo perimetral. A la pletina de la derecha llegan por el lado izquierdo los cables que proceden de los carriles y que continiuan hacia el negativo del rectificador.
Ambas pletinas se unen electricamente mediante un cable aislado de 150 mm2 que pasa por el relé de detección.
UN MONTAJE COMO ESTE NOS PERMITE DTECTAR CUANDO SE HA PRODUCIDO UNA DERIVACION A TIERRA DE CATENARIA EN EL TRAYECTO QUE ALIMENTA A LA SUBESTACION
Así, cuando se produzca la derivación, el camino que seguirá la corriente para regresar al negativo del rectificador será desde las tierras del trayecto a las tierras de la subestación, incluyendo la denominada general. De ésta pasará a través del conductor controlado a la pletina denominada superior y despues al negativo del rectificador. Si además controlamos la corriente que está pasando por el disyuntor extrarrapido y feeder, detectariamos la vía o trayecto en que se ha producido la derivación, generandose las oportunas ordenes de desconexión automáticas.
VENTAJAS DEL SISTEMA
El sistema de detección contra derivaciones, tanto el sistema por tensión como por detección de corriente (en funcionamiento), presenta además de las propias ventajas inherentes a su propia filosofía de funcionamiento (falta de aislamiento entre catenaria y tierra, reducción de los efectos de las corrientes de retorno, reducción de los riesgos eléctricos,etc.,) una ventaja añadida como es la reducción en el número de averías de las instalaciones, especialmente las referentes a las producidas por la actuación de los descargadores de antenas.
La reducción de averías que de forma drástica se produce en los descargadores de antenas está determinada porque es el propio disyuntor extrarrapido de la subestación y su colateral mediante la orden de arrastre, el que corta la alimentación del trayecto afectado cuando se inicia la actuación del descargador de antenas. Ya que la corriente que circula por el descargador es detectada por el relé de detección de corriente por tierra en la subestación. Si la subestación no detectara la corriente que está circulando por el descargador, sería el propio descargador el que tendría que disipar el arco, cuando los valores de tarado de los disyuntores extrarrapidos son elevados ( del orden de 2000 a 2500 A),en estas condiciones la ayuda del disyuntor, que da orden de apertura cuando la corriente es del orden de 200-300 A, ayuda a disminuir el número de incidencias, al ser menor tanto la potencia disipada en el descargador como el tiempo de actuación.
ECONOMIA DE MONTAJE
Frente a los sistemas de detección por tensión, el sistema de detección por corrientes de tierra, presenta la ventaja de su bajo coste de montaje y mantenimiento.
Es especialmente interesante en aquellos trayectos especificos de largo recorrido. En este suspuesto y como se ha indicado el trayecto situado a ambos lados de la subestación quedaría protegido mediante el sistema que se describe. Tambien es especialmente indicado en tranvias y metropolitanos (con adecuación de los valores de tarado al tipo de instalación) en que las operaciones de mantenimiento de realizan de forma global en todo el conjunto de la instalación o al menos por líneas.
INSTALACION EN GRANDES ESTACIONES
En las grandes terminales en donde se están continuamente produciendo movimientos de trenes, y los trabajos de mantenimiento de la línea área de contacto, se realiza por tramos o trozos de vía, no es adecuada este tipo de protección ya que al estar fisicamente unidas todas los carriles de la estación, se produciría la actuación de esta protección durante las operaciones de mantenimiento.
La actuación de la protección se produciría como consecuencia del montaje de la tierra de protección de los servicios de mantenimento, ya que la tierra de protección de los trabajos une fisicamente la catenaria (sin tensión) con tierra y con el carril.
En este tipo de estaciones, es aconsejable la protección mediante sistemas de tensión, aunque exija un mayor coste tanto por los equipos de que está compuesto como por la necesidad de utilizar líneas de comunicaciones con la subestación. Salvo que durante el tiempo de realización de los trabajos de mantenimiento se anule dicha protección.
INSTALACION EN REDES DE CERCANIAS
La instalación del sistema de detección de corrientes por tierra, en las áreas de cercanías, entendiendose como tales, aquellas en que existan estaciones intermedias entre subestaciones, lleva asociado que las operaciones de manteniento se realizen por trayectos completos entre subestaciones y al mismo tiempo los cambios (escapes) entre las vías generales están eléctricamente independizados.
La independización eléctrica de los escapes (supuesto el trayecto con vía doble), consiste en instalar una junta aislante entre cada uno de los cambios del escape y acondicionar despues los circuitos de instalaciones de seguridad. De esta forma no sólo se consigue independizar eléctricamente los carriles con el objetivo de la detección de corrientes por tierra, sino que además se evitan las problemáticas tensiones transferidas que dificultan las labores de mantenimiento.
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