Diseño de Tierras en cables subterráneos de AT

El uso de cables aislados enterrados en redes eléctricas de potencia va en aumento en las grandes ciudades y los núcleos urbanos. Para evitar o reducir las pérdidas por transmisión en las pantallas de los cables, provocadas por su conexión a tierra en ambos extremos, se utilizan conexiones a tierra especiales. La experiencia ha demostrado la necesidad de considerar una serie de reglas básicas en el diseño de los sistemas para lograr que los lazos de las pantallas y las conexiones a tierra sean seguras y fiables.

Por F. Garnacho, A. Khamlichi, P. Simón, R. Martín y A. González.

Las experiencias acumuladas durante las actividades de mantenimiento y explotación en la red de 220 kV en España demostraron que no se pueden descartar fallos en los sistemas de cable cuando se produce un cortocircuito en la red de potencia. El continuo crecimiento de la potencia de cortocircuito en la red de alta tensión,  a la par del progresivo incremento de la longitud del tramo de cable entre dos accesorios consecutivos, requiere la aplicación de criterios de puesta a tierra más eficientes.

Las sobretensiones que aparecen en las pantallas de los cables dependen de varios factores: lugar o posición en la que se produce un eventual cortocircuito (dentro de la red de cable, en una subestación o en una línea aérea), valor de la resistencia de tierra en cada punto de puesta a tierra de la instalación y arquitectura empleada para unir los tramos de cable (SB, CB continuo y CB seccionado). El diseño del lazo de puesta a tierra debe tener en cuenta no sólo la selección de los limitadores de tensión en las pantallas, sino también la determinación del nivel de aislamiento de la cubierta, empalmes, terminaciones y cajas de conexión.

Este artículo presenta una guía de aplicación para el diseño de las puestas a tierra de los sistemas de cable de potencia en el rango de 45 kV a 220 kV. Esta guía refleja las sobretensiones transitorias que aparecen en las pantallas cuando se producen diferentes tipos de cortocircuitos, para distintos tipos de configuraciones de los lazos de tierra. Los resultados permiten una selección fiable de los limitadores de tensión en las pantallas y del nivel de aislamiento requerido, de cara a asegurar un nivel adecuado de protección contra eventuales sobretensiones de cortocircuito.

Se recurrió a diferentes métodos para determinar las sobretensiones, los cuales se compararon entre sí en un amplio rango de casos distintos para disponer de una herramienta numérica sencilla y genérica (GSBD) adaptada a sistemas de cable. La aplicación informática desarrollada permite definir cualquier arquitectura arbitraria para unir longitudes de cable (SB, CB continuo y CB seccionado) que determinen sobretensiones continuas en pantallas de los accesorios y en los limitadores de tensión. La aplicación se emplea cuando la arquitectura aplicada no está cerca de los casos estudiados en la guía.

Cuando se produce un cortocircuito monofásico en una red eléctrica de alta tensión aparecen sobretensiones significativas en las pantallas de los cables aislados de potencia, especialmente en las terminaciones que no están conectadas a la tierra de la subestación y en las pantallas de las zonas de cruzamiento para las configuraciones con cruzamiento de pantallas (CB). En los primeros instantes del cortocircuito una sobretensión transitoria amortiguada de varias decenas de kilohertz y hasta varias decenas de kilovolts se superpone a una sobretensión temporal de frecuencia industrial, que desaparece cuando el corcotircuito es eliminado por la acción de la aparamenta (ver Figura 1). Ambas sobretensiones, transitoria y temporal, provocan un estrés significativo que es necesario considerar en la coordinación de aislamiento de cables, en cajas de conexión y limitadores de sobretensión.

La tensión nominal de los limitadores de tensión se debe escoger teniendo en cuenta la sobretensión temporal, y su tensión residual se selecciona para proporcionar un nivel de protección adecuado, acorde con la tensión soportada transitoria del medio aislante involucrado. En consecuencia, las sobretensiones temporales se determinan por la selección correcta de los limitadores de sobretensión. En concreto, es muy importante conocer las sobretensiones absolutas que aparecen en la cubierta exterior del cable y las sobretensiones temporales locales que se ubican en los limitadores de sobretensión.

Aunque la aplicación informática ATP se puede usar para determinar sobretensiones temporales, no dispone de un interfaz de comunicación suficientemente sencillo e intuitivo para los ingenieros de proyectos dedicados al desarrollo de proyectos de sistemas de cable de alta tensión.

En la práctica actual, se requieren tablas de datos o herramientas numéricas alternativas más flexibles para el análisis de los diferentes parámetros de influencia (por ejemplo, valores de conexiones de tierra, longitudes de los tramos de cable, disposiciones de los cables, etcétera) en las sobretensiones temporales para arquitecturas de pantalla específicas.

Tipos de cortocircuitos
En las redes de alta tensión se pueden producir diferentes tipos de cortocircuitos. Se debe prestar especial atención a los cortocircuitos monofásicos, frente a los cortocircuitos trifásicos, porque la sobretensión inducida en las pantallas no está equilibrada por las corrientes en las otras fases. Sin embargo, la posición relativa entre el punto de cortocircuito y la fuente de tensión permite establecer diferentes escenarios:

a) Cortocircuito subestación-subestación (Figura 2), donde la principal corriente de cortocircuito retorna a través de un conductor (pantallas o conductor equipotencial o de continuidad de tierra, cct), b) cortocirciuito “sifón” (Figura 3), donde la corriente principal de cortocircuito retorna a través de la tierra, c) cortocircuito lejano (Figura 4), donde la corriente de cortocircuito retorna a través tanto de la tierra, como de los conductores (pantallas o cct).

Método de cálculo para la concatenación de configuraciones de pantalla diferentes
No es posible establecer fórmulas simples para determinar las sobretensiones locales y absolutas que aparecen en las pantallas cuando se produce un cortocircuito monofásico en una arquitectura de interconexión de pantallas arbitraria. En estos casos, es necesario emplear herramientas de cálculo numérico. En los párrafos siguientes se presenta un método general de análisis de circuitos (MGAC) y un circuito de análisis por componentes simétricas (CACS).

Las diferencias de ambos métodos en comparación con los resultados obtenidos empleando la aplicación ATP son despreciables.

Análisis de circuitos por componentes simétricos
Para la conexión a tierra (en ambos extremos, en un extremo, CR seccionado, etcétera) el circuito de secuencia cero de cada tramo se deriva para interconectarlos correctamente, según se hace en la disposición real del sistema de cable.

En los párrafos siguientes se presenta el desarrollo de las fórmulas de secuencia cero para una configuración SB, con conductor de continuidad de tierra.

La sobretensión en el cable de tierra, U_mn, es dada por la superposición de las tensiones inducidas que son provocadas por las corrientes de los tres conductores de fase [J_c(abc)] y la corriente a través del conductor de continuidad de tierra, Jt:

U_mn=[Z_tc(abc)][J_c(abc)| + Z_tt · J_t                                                             (1)

Donde:
[Z_tc(abc)] son las impedancias de acoplamiento entre el conductor de continuidad de tierra (cct), t, y el conductor de cada fase, calculadas mediante las fórmulas de Carson

Z_tc es la impedancia propia del conductor de continuidad de tierra, cct, calculada mediante las fórmulas de Carson

Si se considera el esquema eléctrico mostrado en la Figura 5, y se asume J’_m = 0, se puede escribir la siguiente expresión:

U_mn = R_tm · (J’_t – J_t) – R_tn · J_t                                                                        (2)

Donde:
R_tm es la resistencia de tierra del cct en el lado izquierdo

R_tn es la resistencia de tierra del cct en el lado derecho

J’_t = J’_tm es la corriente a través del cct del tramo previo en el lado izquierdo

Si se reemplaza la expresión 1 en la expresión 2, se puede poner:

-[Z_tc(abc)][J_c(abc)] = (R_tm + R_tn + Z_tt) · J_t – R_tm · J’_t                                     (3)

Si se aplica análisis de componentes simétricos:

-3Z_tc0 · J_c0 = (3R_tm + 3R_tn + 3 Z_tt) · J_t0 – 3R_tm · J’_t0                               (4)

Donde:

Z_tc0 es la impedancia de acoplamiento de secuencia cero entre los tres conductores de fase y el conductor equipotencial, cct

J_t = 3J_t0; J’_t = 3J’_t0; JF = 3J_c0

JF es la corriente de cortocircuito monofásico

El circuito eléctrico equivalente asociado a la expresión anterior es el que se muestra en la Figura 6.

Si la corriente de cortocircuito J, las resistencias de tierra R y R, y las corrientes por los conductores de fase [J_c(abc)], se conocen, la corriente por el cct, J_t0, puede determinarse mediante la expresión (4), y a continuación la tensión U_mn y las tensiones en las pantallas Upa, Upb y Upc pueden calcularse aplicando la expresión (1) anterior y las siguientes ecuaciones:

[U_p(abc)] = [Z_pc(abc)] · [J_c(abc)] + [Z_p(abc)t] · J’_t                         (5)

Donde:
[Z_pc(abc)] son las impedancias de acoplamiento entre los conductores de fase y cada pantalla de fase

[Z_pc(abc)] son las impedancias de acoplamiento entre las pantallas de fase y el conductor cct

Método general de análisis de circuitos
Se ha desarrollado una aplicación informática que utiliza la teoría general de análisis de circuitos (GCA). Esta aplicación permite enlazar numerosos tramos con distintos lazos de conexión (SB, CB) con líneas aéreas (con o sin conductores de guarda). Para cada configuración tipo SB (conexión a tierra en un extremo) se puede escribir la expresión (1) anterior, para la cual los parámetros desconocidos son la corriente a través del conductor equipotencial cct, J_t, y la tensión en dicho conductor, U_mn. Para cada configuración tipo CB (cross-bonding) se puede escribir un sistema de tres ecuaciones cuyas variables desconocidas son las corrientes en las pantallas J, J, J y la tensión Umn en el CB. Además, para cada configuración de lazo se debe satisfacer la siguiente expresión:

U_mn = R_tm · J’_m – R_tn · J’_n – (R_tm + R_tn) · (J + J + J)                                          (6)

La resolución de este sistema linear de ecuaciones permite determinar las variables desconocidas.

Más tarde se procede a analizar, aplicando la GCA, el circuito cuyo esquema eléctrico se muestra en la Figura 7, correspondiente a dos tramos con conexión CB en serie con dos tramos con conexión SB. A su vez la Figura 8 refleja la disposición física de los cables.

Las Figuras 9 y 10 muestran las sobretensiones  en las pantallas correspondientes a un cortocircuito monofásico subestación-subestación y cortocircuito lejano, respectivamente.

La Tabla 1 muestra una comparación entre  el método general de análisis de circuitos, GCA, y el método ATP para el escenario de cortocircuito lejano. Como se puede apreciar, no se obtienen diferencias significativas entre ambos métodos.

Guía de aplicación
Tablas de sobretensiones en diferentes configuraciones de pantallas con diferentes  tipos de disposición física
Con el objetivo de tener un primer orden de magnitud de las sobretensiones que aparecen en las pantallas, se ha desarrollado una Guía de aplicación que incluye numerosas tablas diferentes de resultados con los valores de sobretensiones para diferentes configuraciones de pantallas (SB, CB seccionado, CB continuo) para tres escenarios diferentes de cortocircuito: subestación-subestación, sifón y cortocircuito lejano. Además, para cada combinación se han considerado varias disposiciones físicas de los cables (formación plana –A–, formación en trefilado –B– con un conductor equipotencial tendido en el centro geométrico del triángulo equilátero, formación trefilado –C– con el conductor equipotencial transpuesto en la mitad, y formación trefilado –D–  con dos conductores equipotenciales transpuestos en la mitad). Éstas son las disposiciones utilizadas por la compañía Gas Natural Fenosa (GNF), en España, con distintas longitudes de cable (500 m y 1 mil m) y para diferentes valores de resistencia de tierra en los extremos del cable.

En la Tabla 2 se muestra un ejemplo, correspondiente a las sobretensiones locales y absolutas para una configuración SB en un escenario de cortocircuito subestación-subestación. Las sobretensiones inducidas por unidad son mayores cuando la suma R1 + R2 aumenta, y también cuando la relación S/d incrementa. Por el contrario, las sobretensiones registradas disminuyen para una formación en trefilado si el conductor de tierra está en el centro geométrico, en comparación con las registradas cuando el conductor equipotencial ocupa otras posiciones. Adicionalmente, de manera general, las sobretensiones locales son mayores que las absolutas para un escenario de cortocircuito subestación-subestación.

Ejemplos de sobretensiones para diferentes arquitecturas de conexión de pantallas
En la práctica, distintos enlaces básicos (SB, CB) se enlazan dando lugar a diversas arquitecturas de interconexión más complejas. Las sobretensiones en los cables de pantallas dependen de la arquitectura creada.

Aunque la manera correcta de conocer las sobretensiones temporales es empleando las herramientas informáticas descritas en el apartado 3. Es muy importante estudiar algunos ejemplos de cara a adquirir criterios de diseño.

Se obtuvo información de las sobretensiones locales por unidad (V/kA) en los diferentes cruces de pantallas de tres cross-bonding (CB) enlazados, para escenarios de cortocircuito subestación-subestación y cortocircuito en un punto lejano, y considerando longitudes de cable de 500 m y de 1 mil m para cada tramo CB. El valor de la resistencia de tierra se modifica entre 0.5 y 20 . Como resultado de esto, se obtienen sobretensiones más elevadas para cortocircuitos lejanos que para cortocircuitos subestación-subestación. Aparte, las sobretensiones son proporcionales a las longitudes de los tramos cuando el cortocircuito se produce entre subestaciones, mientras que el parámetro longitud no afecta significativamente a las sobretensiones en las pantallas (menos de un 10 por ciento) para escenarios de cortocircuitos lejanos.

Se debe destacar que las sobretensiones que aparecen aumentan significativamente cuando la resistencia de tierra en el extremo del cable aumenta de 5  a 10 .

Criterios de selección de los limitadores de sobretensión y protección de la cubierta exterior
Para una configuración específica (formación en trefilado, formación plana, entre otros) y para un lazo de tierras concreto (SB, CB), los limitadores de sobretensión (SVL –sheath overvoltage limiters–) empleados para la protección de la cubierta exterior de los cables, deberían soportar las sobretensiones temporales, U_t, que aparecen entre las pantallas metálicas y tierra. Estas sobretensiones dependen de la tensión local inducida, ulocal (V/kA), y del valor de corriente de cortocircuito que se prevé en la red para un escenario de cortocircuito específico (cortocircuito subestación-subestación, cortocircuito sifón o cortocircuito lejano).

U_t (V) = u_local · I_cc (kA)                                                 (7)

Con objeto de tener un margen de seguridad, la tensión nominal del limitador de tensión, U_r (tensión soportada a frecuencia industrial durante 10 segundos) se escoge de manera que sea igual o superior que la sobretensión temporal (por ejemplo, la sobretensión durante el cortocircuito).

U_r ? u_local · I_cc (kA)                                                      (8)

Las tensiones locales por unidad, u_local, deben determinarse para cada proyecto, bien por medio de la tabla de datos incluida en la Guía, o bien por medio de la aplicación informática desarrollada para este propósito. Por otro lado, las corrientes de cortocircuito máximas deben evaluarse teniendo en cuenta las características específicas de la red.

Los SVL seleccionados para cada nivel de tensión del sistema analizado deben asegurar un margen de protección, MP, adecuado, al tomar en consideración el nivel de aislamiento para sobretensiones transitorias necesario y el efecto de la distancia entre los SVL y el aislamiento por proteger.

MP (%) = (U_p-t/U_res – 1) · 100                                       (9)

Donde:
U_p-t es la tensión soportada pantalla-tierra, para impulso tipo rayo 1.2 s/50 s

U_res es la tensión residual del SVL

En la Tabla 3 se muestran los valores característicos de los SVL empleados por GNF, así como los márgenes de protección, considerando la tensión soportada requerida para cada nivel de tensión de cara a compensar el efecto de la distancia entre el limitador y el aislamiento por proteger.

Un análisis adicional de energía en las redes de GNF permitió recomendar limitadores de sobretensión de clase 2, excepto para limitadores con tensiones nominales de 3.3 kV, en donde se recomienda una clase 3.

Por otro lado, la cubierta exterior del cable debería soportar sobretensiones temporales que aparecen entre pantallas metálicas y la referencia de tierra. Esta sobretensión depende de la tensión absoluta inducida, uabsoluta (V/kA), y en el valor de corriente de cortocircuito previsto en la red para un escenario de cortocircuito específico (subestación-subestación, cortocircuito sifón o cortocircuito lejano):

U_{cubierta exterior 50 Hz} ? u_absoluta · I_cc (kA)                                (10)

Como referencia, un valor típico para el nivel de aislamiento a frecuencia industrial (50 Hz/ 1 minuto) de la cubierta exterior es 10 kV.

Conclusión
En las pantallas de los cables aislados pueden aparecer sobretensiones significativas cuando se producen cortocircuitos en las redes de alta potencia. El hecho de que las sobretensiones temporal y transitoria en las pantallas de los cables dependan de las distintas arquitecturas de conexión de dichas pantallas, hace necesario realizar estudios específicos de cortocircuitos para cada proyecto de sistema de cable nuevo. El paquete ATP es una buena herramienta numérica para determinar las sobretensiones temporal y transitoria del sistema; sin embargo, no es habitualmente empleado por los diseñadores de proyectos de líneas de cable subterráneo.

Se han desarrollado unos paquetes informáticos específicos para la determinación de las sobretensiones en las pantallas de los sistemas de cables, una de ellas aplicando análisis de circuitos por componentes simétricas (CASC) y otra mediante un método general de análisis de circuitos (MGAC). Ambos paquetes permiten definir cualquier arquitectura arbitraria para enlazar tramos de cable (en un solo extremo o single-bonding, cross-bonding continuo y cross-bonding seccionado) con objeto de calcular sobretensiones continuas en pantallas de accesorios y en limitadores de sobretensiones para los diferentes escenarios de cortocircuito (subestación-subestación, sifón y falla lejana).

Adicionalmente, se ha elaborado una Guía de Aplicación con tablas de sobretensión para diferentes configuraciones de pantalla empleadas en la compañía Gas Natural Fenosa (GNF), para distintos tipos de tendido. Tanto la Guía de Aplicación como los paquetes informáticos han permitido mejoras en las configuraciones de los lazos de puesta a tierra, así como en la selección de los limitadores de sobretensiones empleados en los cables subterráneos, nuevos y en servicio, de la compañía eléctrica GNF.
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