descargas atmosféricas en sistema eléctrico del metro de medellín

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN SISTEMA ELÉCTRICO DEL METRO DE
MEDELLÍN
Elkin L. Henao
Carlos H. García
Mario A. Suárez
Jaime W. Correa
MEJÍA VILLEGAS S.A.
Tel.: 373 10 55 Fax: 372 28 74 A.A.1578 Medellín - Colombia.
e-mail: mvsa@mejiavillegas.com.co
Resumen- Desde su entrada en operación, el sistema Metro
de Medellín se ha visto afectado por la acción de descargas
atmosféricas. Para resolver los problemas en el sistema de la
catenaria, rieles, y cajas señalización se analizaron diversas
soluciones. Con las medidas finalmente implementadas, se logró
mitigar los efectos destructivos de las descargas.
Se presenta la metodología seguida y las técnicas de
simulación con el programa ATP-EMTP.
INTRODUCCIÓN
El sistema de transporte masivo Metro consiste en un tren
urbano para la movilización masiva de personas dentro del
área metropolitana del Valle de Aburra; fue inaugurado el 30
de septiembre de 1996; el sistema esta conformado por dos
trayectos con una longitud total de 28 km de los cuales 11 km
son en viaducto aéreo y el resto son a nivel del piso; los trenes
son eléctricos y operan con una tensión de 1500 Vcc los
cuales son suministrados al coche-motor del tren por un
sistema de catenaria aérea sin apantantallamiento y
empleando como retorno los rieles de la vía.
FIG 1. Localización de falla en la catenaria.
En los primeros meses de operación comercial del sistema
Metro se presentaron diversos daños en el sistema de la
catenaria y en el sistema de control.
Entre los daños de la catenaria se destaca la caida en
varias ocasiones del cable de la catenaria debido al
rompimiento de un aislador ubicado entre el conductor de
cobre y el cable de acero que tensiona la catenaria, lo cual
trajo como consecuencia la suspensión del servicio por varias
horas; en la figura 1 se aprecia la ubicación de aislador
afectado y en la figura 2 se aprecian los aisladores dañados.
Adicionalmente, durante inspecciones de mantenimiento
de la catenaria se han detectado flameados algunos aisladores
que conforman el brazo de soporte en los mástiles (ver
figura 3), y se han encontrado cables de la catenaria que han
presentado ruptura de alguno de sus hilos.
FIG 2. Aislador doble ojo fallado que causa la caída de la catenaria
El sistema de control ha sufrido daños en las cajas del
sistema de señalización que detectan presencia de vehículos,
ubicadas en la vía y conectados al riel en donde se han
encontrado componentes quemados y además se han quemado
tarjetas del sistema de control en la sala de enclavamentos de
las estaciones.
1 de 6
ANÁLISIS EFECTUADO
A continuación se describen las actividades realizadas y
los resultados obtenidos durante el estudio.
MEDICIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
FIG 3. Aisladores del mástil flameados
POSIBLES CAUSAS
Los anteriores eventos están asociados a descargas
atmosféricas puesto que han ocurrido durante tormentas
eléctricas.
Existen tres maneras de explicar como una descarga
atmosférica puede afectar el comportamiento del sistema
eléctrico de la catenaria.
• Una descarga atmosférica directa sobre la catenaria: en
este caso la corriente de la descarga circula por los cables
buscando un camino para llegar a tierra produciendo
flameo en los aisladores desde los cables conductores
hasta la tierra.
• Una descarga atmosférica en el mástil de la catenaria: en
este caso la corriente de la descarga viaja por el sistema de
puesta a tierra del mástil, y aunque el valor de la puesta a
tierra sea bajo, la corriente al circular por esta resistencia
presenta una tensión que puede alcanzar varios kilovoltios
por encima del nivel de soportabilidad de los aisladores, y
se puede presentar un flameo inverso en los aisladores, o
sea desde el mástil hasta los cables conductores.
• Una descarga atmosférica cerca a la catenaria: cuando una
descarga atmosférica cae cerca a la catenaria, se inducen
por acople electromagnético corrientes en los conductores,
causando sobretensiones en la catenaria; estas
sobretensiones producen flameo en los aisladores del
cable. También en estos casos el mecanismo de flameo se
puede producir por la misma distribución de corrientes por
la tierra que buscan a través de la catenaria puestas a tierra
remotas.
Se realizó una medición de la puesta a tierra de los
mástiles ubicados en el viaducto; los resultados de las
mediciones de la resistencia de puesta a tierra dieron por lo
general valores por debajo de 1,0 Ω lo cual es considerado
como un valor bueno en sistemas de puesta a tierra según
normas internacionales (ANSI/IEEE-80, ANSI/IEEE-142).
EVALUACIÓN DEL RIESGO
Con el fin de identificar los trayectos del Metro más
propensos a recibir una descarga atmosférica directa, se
realizó una inspección visual del recorrido del tren,
localizando los tramos que tienen un alto riesgo de recibir una
descarga; para la identificación se observaron edificios y
líneas de alta tensión que protegen la línea del Metro contra
descargas atmosféricas directas. Se clasificó como zona de
alto riesgo aquellos trayectos en los cuales no hay elementos
que le brinden apantallamiento a la zona de atracción de
descargas. En la figura 4 se presentan los resultados obtenidos
en la observación.
Adicionalmente en el riel se inducen sobretensiones
debido a una descarga atmosférica (la descarga puede caer en
la catenaria, en el mástil o cercana a la vía), la inducción es
causada por el acople electromagnético entre el riel y los
conductores por donde circula la descarga.
FIG 4. Mapa de riesgo de impacto directo de un rayo sobre la catenaria.
2 de 6
Considerando la longitud de vía de alto riesgo, además del
nivel ceráunico y las metodologías sugeridas por la literatura
y para líneas de transmisión [2] y [6], se realizó una
estimación del riesgo de impacto de una descarga atmosférica
en la vía del Metro; en la tabla 1 se aprecian los resultados
encontrados.
Es importante resaltar que antes de 1989 se consideraba
un nivel ceraúnico para la ciudad de Medellín cercano a 60
días / año, luego se consideró en 140 días / año [7]; y ahora
con la instalación de modernos equipos detectores de
descargas, se ha estimado en un nivel ceraúnico mayor de 200
días / año, lo cual explica el alto grado de incidencia que
tienen las descargas eléctricas en un sistema como en el
metro.
TABLA 1: NÚMERO TOTAL DE DESCARGAS EN LA VÍA DEL
METRO CON VARIOS NIVELES CERÁUNICOS
(DESCARGAS POR AÑO)
Nivel ceráunico
Viaducto
Vía a nivel
Total
(días / año)
240
22
10
32
140
13
6
19
60
5
3
8
Se observa que se puede esperar un total de 32 descargas
por año sobre la línea del Metro para un nivel ceráunico de
240 días / año.
Sin embargo en zonas clasificadas como de bajo riesgo
pro estar apantalladas por líneas de transmisión adyacentes, se
presentaron daños en los aisladores doble ojo, debido a
descargas en el cable de guarda de las líneas de transmisión.
Comparando las áreas donde se han reemplazado
aisladores que son reportados como flameados o dañados por
sobretensión, según registros del departamento de
mantenimiento de catenaria del METRO desde 96-02-02 al
96-10-26; estas áreas coinciden en su ubicación en un 80 %
con las zonas definidas como de alto riesgo de la figura 4.
Hay que tener en cuenta que las zonas clasificadas como
de medio y bajo riesgo, pueden presentar aisladores
flameados, debido a descargas indirectas que inducen
sobretensiones en la catenaria.
ANÁLISIS DE SOBRETENSIONES
Para determinar la magnitud de las tensiones que aparecen
debido a las descargas atmosféricas directas e indirectas sobre
la catenaria y para poder dimensionar las soluciones
adecuadas, se modeló la vía del Metro y una linea de
transmisión con el programa ATP-EMTP (Electromagnetic
Transients Program).
FIG 5. Perfil del sistema modelado.
Modelación de la catenaria y línea de transmisión
Los conductores de la catenaria, los rieles de retorno y la
línea de transmisión se representaron por el modelo KC Lee
para líneas no transpuestas conformado por la impedancia
característica y velocidad de propagación de cada conductor y
una matriz de acople entre los diferentes conductores; los
parámetros fueron obtenidos con la rutina Line Constant del
ATP-EMTP para una frecuencia de 500 kHz.
Modelación de los mástiles
Los mástiles se representaron como una impedancia
característica (Zc) con su correspondiente tiempo de viaje
calculados a partir de la geometría del mástil.
Aisladores de la catenaria
Los diferenes aisladores de la catenaria son representados
como interruptores controlados por tensión. La tensión de
cierre es igual a la tensión de flameo del aislador (CFO).
Simulaciones realizadas
Se verificaron las sobretensiones y flameos que se
presentan en los aisladores ubicados en los brazos de los
mástiles, en los extremos de los cables de la catenaria y en
los rieles debido a descargas atmosféricas tanto directas como
indirectas; se realizaron simulaciones de descargas
atmosféricas que caen en mástiles y en la catenaria, y en el
cable de guarda de una línea paralela al viaducto del metro.
3 de 6
POSIBLES SOLUCIONES
Ya se mencionó como un sistema convencional de
apantallamiento no es la solución conveniente.
FIG 6. Tensiones en la catenaria y en el riel debido a una descarga
indirecta.
Como ejemplo en la figura 6 se aprecian las formas de
tensiones típicas encontrada para descargas indirectas; se
observa como la tensión inducida en la catenaria fluctúa en un
transitorio durante unos microsegundos iniciales y luego
disminuye debido a que en los aisladores que soportan la
catenaria se producen arcos eléctricos (flameos) por donde
drenan las cargas inducidas en la catenaria y por lo tanto
disminuyen la tensión inducida en ésta.
La tensión en el riel se incrementaría a magnitudes
superiores a los 50 kV, debido que el riel es aislado de tierra,
afectando directamente los elementos de control instalados en
riel.
También se encontró que los aisladores del mástil
cercanos al punto de impacto de una descarga atmosférica son
los que tienen una mayor probabilidad de flamear.
Los aisladores de doble ojo ubicados al final del cable de
la catenaria y tensores de la misma, en todas las simulaciones
presentaron flameo debido al efecto distancia que consiste en
que una sobretensión que viaja por un cable al llegar al final
del mismo puede doblar la magnitud en este punto.
Se observó cuando una descarga que cae sobre el mástil,
produce tensiones en la punta del mástil tan altas que se
presentan flameos en los aisladores del mástil; esto es muy
importante si tenemos en cuenta que un sistema de
apantallamiento convencional (cable de guarda sobre la
catenaria o puntas tipo Franklin), se conectaría al mástil para
drenar la corriente de la descarga atmosférica a tierra; por lo
tanto cuando una descarga atmosférica cae sobre lo que sería
un sistema de apantallamiento y la corriente que baja por el
mástil también produce flameos en los aisladores; en resumen
un apantallamiento convencional conectado o unido a los
mástiles, no evita las fallas de los aisladores.
Un sistema de apantallamiento menos convencional como
por ejemplo el conformado por cables de guarda soportados
por postes diferentes a los mástiles ubicados cerca a la línea
permitirían interceptar la descarga y drenarla a tierra
directamente; sin embargo se evidencio que la corriente que
circula por este cable induce por acople electromagnético
tensiones y corrientes altas en la catenaria, lo cual tiene como
consecuencia igualmente el flameo en los aisladores; por lo
tanto un cable de guarda soportado externamente por postes
no evitaría las tensiones inducidas y el flameo de los
aisladores.
Los explosores o “gaps” no evitan el flameo pero sí
reducen los esfuerzos eléctricos impuestos por la descarga
sobre los aisladores. Sin embargo reducen ligeramente el
nivel de aislamiento del sistema de la catenaria y cuando
operan no solo provocan un corto circuito que implica la
desconexión transitoria del suministro eléctrico, sino que
deben ser muy robustos para soportar dicho cortocircuito
mientras que operan las protecciones.
La instalación de pararrayos en paralelo con los aisladores
que se desean proteger es una forma efectiva de reducir el
esfuerzo eléctrico al que es sometido el aislador. Experiencias
semejantes han sido implementados en los últimos años para
líneas de transmisión donde la instalación de pararrayos de
ZnO en paralelo con las cadenas de aisladores de las torres
permitió reducir significativamente el número de salidas de la
línea debido a descargas atmosféricas.
El empleo de pararrayos en paralelo con el aislador es la
solución recomendada debido a que resuelve el problema de
los arcos eléctricos destructivos.
Adicionalmente para el control de las tensiones inducidas
en el riel las cuales afectan el sistema de control y
señalización, se decidió instalar pararrayos en las cajas de
control instaladas en la vía.
COMPORTAMIENTO DE LA CATENARIA PROTEGIDA
CON PARARRAYOS ANTE DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS.
Para verificar el comportamiento de la catenaria protegida
con pararrayos ante descargas atmosféricas y con el fin de
determinar la capacidad de energía requerida por los
pararrayos se simuló en el ATP-EMTP el sistema con
pararrayos; la figura 7 muestra modelo completo de la
simulación.
4 de 6
FIG 9. Tensiones en la catenaria y en el riel protegidos con pararrayos
debido a una descarga indirecta.
En figura 9 se aprecia como las tensiones residuales que
aparecen en la catenaria y en los rieles debido a la presencia
de los pararrayos es mucho menor que en los casos sin
pararrayos.
Adicionalmente las simulaciones permitieron calcular la
energía máxima que requieren disipar los pararrayos para
grandes descargas atmosféricas.
IMPLEMENTACIÓN
FIG 7. Modelo del sistema en el ATPDRAW del ATP-EMTP.
La simulación de pararrayos conectados en paralelo con
los aisladores de ojo, demostró su efectividad ya que reduce
el esfuerzo eléctrico sobre éste evitando que flamee. En la
figura 8 se aprecia la tensión residual a la que es sometido un
aislador doble ojo con pararrayos en paralelo.
La empresa Metro en el ultimo año a instalado pararrayos
ZnO en paralelo con los aisladores de doble ojo, aisladores
de los brazos de los mástiles y en las cajas de control ubicadas
en la carrileras.
10000
7800
FIG 10. Pararrayos ubicado en paralelo con el aislador doble ojo.
5600
3400
1200
*10^-4
-1000
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
( f ile C a s o _ 3 . p l4 ; x - v a r t ) v : X X 0 1 0 0 - C I2
FIG 8. Tensión en el aislador doble ojo con pararrayos en paralelo con una
descarga directa en la catenaria.
Resultado similar se obtuvo con pararrayos conectados
sobre los mástiles, los cuales evitan el flameo de los
aisladores del brazo.
FIG 11. Pararrayos ubicado en paralelo con el aislador del brazo del mástil.
5 de 6
Committee 33 (Overvoltages and Insulation Coordination). Paris,
October 1991.
[3] Leuven EMTP Center. Alternative Transients Program Rule Book.
Bélgica. 1987.
[4] Mejía Villegas. Análisis de la protección del sistema de comunicaciones
del metro ante descargas atmosféricas. Revisión 0. Enero de 1999.
[5] Albert Mayer. Protección contra las sobretensiones de redes y de
vehiculos ferroviarios de corriente alterna. Revista ABB Nº 3 de 1994.
[6] EPRI-Proyect UHV. Transmission Line Reference Book 345 kV and
Above. Palo Alto. EPRI. 1987. 625p.
FIG 12. Pararrayos ubicado en caja de control .
[7] Universidad Nacional de Colombia - HIMAT. Mapa de niveles
ceráunicos en Colombia. Enero de 1990.
Durante casi un año de periodo en que han estado
instalados los distintos pararrayos en el sistema no se han
presentado daños de aisladores que soportan la catenaria o en
el sistema de control y señalización. Es importante destacar
que este período se puede considerar representativo por haber
tenido meses de intenso invierno.
[8] Raychem. Test report PPR 1308 Acceptance Test Current Limited
Arcing Horn CLH-03D-NHJ. Munich Germany. Junio 1998. ceráunicos
en Colombia. Enero de 1990.
[9] Leonardo Cardona Correa. Teoría y practica con el ATP. Universidad
Nacional de Colombia, Facultad de Minas. Medellín 1995.
[10] Mejía Villegas. Asesoría en la instalación de pararrayos. Revisión 0.
Enero de 1999.
CONCLUSIONES
Proteger un sistema contra todo tipo de descarga
atmosférica es imposible debido a la naturaleza aleatoria del
fenómeno, sin embargo se puede proteger un sistema de tal
forma que tenga una baja probabilidad de ser afectado por
descargas atmosféricas; en otras palabras si es posible
minimizar los riesgos y las fallas frecuentes producidas por
descargas atmosféricas siempre que se realice un cuidadoso
análisis y se implemente la medida mas adecuada al menor
costo posible.
Estudios del comportamiento de sistemas de catenarias
ante descargas atmosféricas deben ser tenidos en cuenta para
nuevos sistemas de transporte masivo como lo son los de la
ciudades de Santafe Bogotá y Santiago de Cali, considerando
que los niveles de ceráunicos en Colombia son mas altos que
en otros lugares del mundo.
También se deben tener en cuenta los beneficios del
empleo de pararrayos en paralelo con los aisladores de líneas
de catenarias, y considerar desde el inicio se aplicación, u
otras medidas remédiales para mejorar el desempeño eléctrico
un metro ante descargas atmosféricas.
REFERENCIAS
[1] INTERVENTORÍA DELEGADA - Mejía Villegas. Análisis de la
catenaria ante descargas atmosféricas. Revisión 1. Medellín, junio de
1997.
[2] CIGRÉ 63. Guide to procedures for estimating the lightning performance
of transmission lines. Working Group 01 (Lightning) of Study
6 de 6