DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN SISTEMA ELÉCTRICO DEL METRO DE MEDELLÍN

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1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN SISTEMA ELÉCTRICO DEL METRO DE MEDELLÍN Elkin L. Henao Carlos H. García Mario A. Suárez Jaime W. Correa 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. MEJÍA VILLEGAS S.A. Tel.: Fax: A.A.1578 Medellín - Colombia. mvsa@mejiavillegas.com.co 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

2 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

3 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 (días / año) Viaducto Vía a nivel Total 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 al ; 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

4 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

5 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 FIG 10. Pararrayos ubicado en paralelo con el aislador doble ojo *10^ (file Caso_3.pl4; x-var t) v:xx0100-ci2 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

6 Committee 33 (Overvoltages and Insulation Coordination). Paris, October [3] Leuven EMTP Center. Alternative Transients Program Rule Book. Bélgica [4] Mejía Villegas. Análisis de la protección del sistema de comunicaciones del metro ante descargas atmosféricas. Revisión 0. Enero de [5] Albert Mayer. Protección contra las sobretensiones de redes y de vehiculos ferroviarios de corriente alterna. Revista ABB Nº 3 de [6] EPRI-Proyect UHV. Transmission Line Reference Book 345 kv and Above. Palo Alto. EPRI p. FIG 12. Pararrayos ubicado en caja de control. 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. [7] Universidad Nacional de Colombia - HIMAT. Mapa de niveles ceráunicos en Colombia. Enero de [8] Raychem. Test report PPR 1308 Acceptance Test Current Limited Arcing Horn CLH-03D-NHJ. Munich Germany. Junio ceráunicos en Colombia. Enero de [9] Leonardo Cardona Correa. Teoría y practica con el ATP. Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Minas. Medellín [10] Mejía Villegas. Asesoría en la instalación de pararrayos. Revisión 0. Enero de 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 [2] CIGRÉ 63. Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines. Working Group 01 (Lightning) of Study 6 de 6