Electrotecnia - Industria Sobretensiones en líneas de transmisión eléctrica

Derivaciones a tierra .

Cuando un conductor en servicio y aislado respecto a tierra queda conectado a ésta por otro conductor, se produce una derivación a tierra. Si el defecto aparece solamente en un conductor de la línea, tenemos el caso más corriente de derivación a tierra única; cuando la avería aparece simultáneamente en varios conductores, va sea en el mismo sitio, ya sea en sitios distintos de la red, tendremos la derivación a tierra doble, triple, etc... y, en general, derivación a tierra múltiple. La corriente que circula desde el circuito de servicio a tierra por las derivaciones correspondientes, es la corriente de derivación a tierra.

Fig. 1 - Derivación a tierra sencilla.	Fig. 2 - Cortocircuito a tierra o cortocircuito a tierra unipolar.
Fig. 3 -  Derivación a tierra doble.	Fig. 4 - Cortocircuito con derivación a tierra o cortocircuito a tierra bipolar .

• Tema relacionado : Líneas y redes en cortocircuito. Corrientes de tierra en líneas de transmisión eléctrica

Las derivaciones a tierra pueden aparecer en cualquiera de los puntos de una instalación. Sin embargo, en las máquinas, transformadores, transformadores de medida y aparatos de conexión, son relativamente raras.

En las redes de cables son bastante más frecuente las derivaciones a tierra; además de los desgarros que pueden producirse directamente en las zanjas de cables, también hay que tener en cuenta las siguientes causas posibles: pequeños desgarros en las envolturas de plomo, roturas del cable por movimientos de tierra, averías en manguitos y terminales, etc...

Los sitios donde más frecuentemente se originan derivaciones a tierra, son las líneas aéreas y pueden estar provocadas por diferentes causas: aisladores rotos o sucios, pájaros, ramas o cañas movidas por el viento, rayos y otras perturbaciones atmosféricas que originan sobretensiones y por tanto descargas a tierra; especialmente, cabe mencionar las sobretensiones provocadas por arcos eléctricos, por ejemplo, en la apertura en carga de seccionadores.

Las derivaciones a tierra pueden ser perfectas, es decir, sin resistencia de paso e imperfectas, o sea, con resistencia de paso; tanto unas como otras pueden ser permanentes, es decir., no interrumpidas, e intermitentes, formadas por un arco eléctrico que crece rápidamente y desaparece con la misma rapidez. Las derivaciones a tierra cuya duración no excede de una fracción de segundo y que se producen en las redes aéreas con mucha frecuencia, se denominan derivaciones a tierra instantáneas.

En las máquinas eléctricas, sobre todo en generadores, las derivaciones a tierra suelen denominarse contacto a masa.

Además, por la naturaleza del contacto a tierra, podemos distinguir los siguientes tipos:

a) Derivación a tierra única o sencilla o neutro aislado . (Fig. 1 )

b) Cortocircuito a tierra (Fig. 2 )o cortocircuito a tierra unipolar que solamente es posible en instalaciones con centro de estrella conectado directamente a tierra.

c) Derivación a tierra doble o, en otros casos, derivación a tierra múltiple (Fig. 3 ); si los puntos del defecto se encuentran en una misma sección de la red, se denomina derivación de sector a tierra.

d) Cortocircuito con derivación a tierra, llamado también cortocircuito a tierra bipolar o cortocircuito a tierra tripolar, según los casos (Fig. 4 ) , que puede considerarse como un caso particular del anterior, cuando dos o tres conductores, respectivamente, establecen comunicación con tierra en un mismo punto de la red.

Fig. 5 - Capacidades respecto a tierra en una línea trifásica con neutro aislado.

Cualquier línea por la que circula una corriente alterna monofásica o trifásica es el asiento de corrientes de carga debidas a la capacidad distribuida en toda la longitud de la línea; el valor de estas corrientes depende de la tensión, de la longitud de la línea, posición relativa de los conductores y clase de éstos (cables o conductores desnudos). Durante el funcionamiento normal, la corriente de carga resultante es nula; las componentes de esta corriente son las corrientes debidas a la capacidad propia de cada conductor así como a las capacidades relativas del conjunto de conductores que constituyen la línea. Supongamos la línea trifásica representada en la figura 5 , con el neutro del transformador aislado. Cada conductor presenta una capacidad respecto a tierra que origina las correspondientes corrientes de capacidad a tierra, indicadas en la figura por I_R, I_S, I_T. 

Fig. 6 - Diagrama vectorial de una línea trifásica con neutro aislado, en la que se ha producido una derivación a tierra.

En la figura 6 se ha representado el diagrama vectorial que comprende las tensiones simples de la línea y las corrientes de capacidad, desfasadas 90° en adelanto respecto a aquéllas; la suma vectorial de estas corrientes es nula. Cada una de estas corrientes vale:

siendo C , la capacidad de cada conductor respecto a tierra y U la tensión simple.

Supongamos ahora que, tal como se representa en la figura 7 se produce una derivación a tierra en la fase T. Aparecen entonces las siguientes modificaciones de tensión:

1. Tensión entre centro de estrella y tierra = tensión de estrella = U.

2. Tensión entre conductor derivado a tierra y tierra = cero.

3. Tensión entre conductores sanos y tierra = tensión compuesta = √3 . U

El diagrama vectorial correspondiente es el de la figura 8, donde puede apreciarse el desequilibrio resultante del sistema.

Ahora, la suma de corrientes de capacidad ya no es igual a cero, puesto que las fases intactas adquieren la tensión compuesta respecto a tierra y como las intensidades son proporcionales a las tensiones, aumenta la intensidad de corriente de estas fases hasta √3 veces su valor primitivo. Además, las corrientes de capacidad de las fases sanas I_R y I_S se reúnen en el punto defectuoso y la suma geométrica de ambas da la corriente de defecto I_C = I_T . Los valores de las 3 corrientes resultantes es :

Las consecuencias que resultan de una derivación a tierra en una instalación con neutro aislado son:

a) elevación de la tensión respecto a tierra de las fases sanas, que pasa del valor simple U al valor compuesto √3 U. Este no es un grave inconveniente ya que el material de instalación está previsto para resistir una tensión del valor doble que la tensión nominal. Únicamente resultaría peligroso si, con una fase derivada a tierra, se produjese una sobretensión de origen atmosférico, porque posiblemente se sobrepasaría el límite de seguridad.

b) elevación rápida de la tensión del punto neutro respecto a tierra. Este fenómeno provoca sobretensiones producidas por la carga brusca de las capacidades respecto a tierra en las dos fases no averiadas. Esta carga es de forma oscilatoria y el circuito oscilante correspondiente está constituido por las dos capacidades de líneas sanas acopladas en paralelo, y la reactancia conjunta de cortocircuito de la red (línea, transformadores, generadores, etc ... ). Estas sobretensiones alcanzan su valor máximo cuando la derivación a tierra se realiza en el instante en que la tensión simple de la fase averiada pasa por su máximo. Estas sobretensiones tampoco resultan peligrosas para el aislamiento de la red.

c) distorsión del sistema formado por las corrientes capacitivas, que era simétrico y se convierte en asimétrico a causa de la derivación a tierra. La consecuencia es un aumento de la carga capacitiva de la red que en casos especiales (por ejemplo, con pequeña carga en la red y generadores débilmente excitados) puede ocasionar inconvenientes (sobretensiones inadmisibles, inestabilidad en la excitación).

d) caídas de tensión peligrosas en el suelo, en las proximidades de la derivación a tierra. Estas caídas de tensión son tanto más peligrosas cuanto mayor es la corriente de tierra o cuanto mayores son las resistencias de puesta a tierra del neutro o las del defecto. Cuando la diferencia de potencial entre dos puntos del suelo sobrepasa un valor determinado puede poner en peligro la vida de personas y animales, ya que un ser viviente que avance por la zona peligrosa de una derivación a tierra, subtiende con sus pasos una fracción de la caída de tensión existente a lo largo de la superficie del suelo, fracción denominada tensión de paso. Con amplitudes de paso de un metro y tratándose de derivaciones francas a tierra, la tensión de paso puede alcanzar varios centenares de voltios siendo, por lo tanto, muy peligrosa.

e) ruptura de líneas, especialmente en las redes extensas que tienen una elevada corriente de tierra. La rotura de los conductores como consecuencia de su fusión por la acción de la corriente de tierra, conduce a bruscas interrupciones de servicio, con los consiguientes perjuicios de la explotación.

Más peligrosas son las derivaciones a tierra que se producen por los efectos de los arcos eléctricos;* por ejemplo, al desconectar un seccionador bajo carga, si el arco formado llega a tierra puede suceder que se extinga espontáneamente en el momento en que la corriente pasa por su valor nulo; pero la experiencia demuestra que cuando la intensidad de derivación sobrepasa los 3 A, el arco no se apaga, sino que se enceba nuevamente a cada semiperiodo. La fase derivada a tierra debe descargar en un tiempo muy breve y cuando la corriente ha quedado extinguida se interrumpe la comunicación de esta fase con tierra; por consiguiente, su potencial ya no es nulo, de forma que la tensión respecto a tierra varía con el período hasta alcanzar el valor que determina una nueva descarga. Es decir, que cada pulsación de la tensión equivale al cierre de un interruptor no precedido de ninguna resistencia protectora. Como hay una descarga cada semiperiodo, esto quiere decir que para la frecuencia industrial de 50 Hz, se producen 100 " ondas de tensión cada segundo, las cuales avanzan por la red. Si persiste la derivación a tierra, aún se agravan más las cosas ya que la elevación de la temperatura en el punto donde se produjo el arco, provoca una ionización del aire circundante, precisándose menor tensión para un nuevo encebamiento del arco.

Si estas ondas oscilantes llegan, por ejemplo, a un transformador y aumentan de tensión, puede duplicarse su valor en los puntos donde hay un cambio de resistencia. Estas ondas se reflejan en el punto neutro del transformador si está conectado en estrella, duplicando nuevamente su potencial, de forma que los arrollamientos del transformador están sometidos a tensiones respecto a tierra, cuatro veces mayores que la normal. Además, como los arrollamientos de un transformador poseen capacidad y autoinducción pueden formarse circuitos oscilantes, inactivos en circunstancias normales, pero que si ocurre una perturbación a causa de una onda oscilante, pueden excitarse hasta llegar a producir resonancia y, como consecuencia, nuevas sobretensiones.

Como el arco producido por una derivación a tierra es muy movible, puede alcanzar gran longitud, alcanzando las fases sanas y provocando cortocircuitos francos. Si como consecuencia de esta primera derivación, una segunda fase descarga a tierra, se produce la derivación doble a tierra que puede resultar excepcionalmente peligrosa, sobre todo en instalaciones poco cargadas, con retorno por tierra.

Los fenómenos producidos quedarán atenuados por la presencia de las capacidades entre fases y por el amortiguamiento del circuito oscilante. Pero las sobretensiones producidas alcanzan valores que están comprendidos entre 3,5 y 4,5 veces la tensión nominal y son, como consecuencia, muy peligrosas para los aislamientos ya que sobrepasan el límite de seguridad de éstos que, como sabemos, está evaluado en el doble de la tensión de servicio .

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