Cuando el camino más corto no es el camino de la corriente
Una nota técnica en profundidad sobre la distribución de corriente en corredores de líneas aéreas bajo condiciones de fallo a tierra a 50 Hz e impulso de rayo.
Un mismo corredor de línea aérea puede comportarse como una red distribuida de puesta a tierra en condiciones de fallo a tierra a 50 Hz, pero como un problema local de corriente de impulso bajo condiciones de rayo. Esta diferencia modifica los caminos de la corriente, el riesgo por tensión de contacto y las solicitaciones sobre la infraestructura.
Conclusiones principales
- La distribución de corriente en infraestructuras lineales no es solo un problema de ubicación, sino también del régimen de excitación.
- A 50 Hz, un corredor de línea aérea puede repartir la corriente de fallo entre los sistemas de puesta a tierra de numerosas torres.
- Bajo condiciones de impulso de rayo, la mayor parte de la corriente puede permanecer cerca del punto de inyección.
Distribución de corriente en corredores de líneas aéreas bajo condiciones de fallo y de rayo.
Introducción
En los estudios de sistemas eléctricos y de protección contra el rayo, resulta tentador imaginar el flujo de corriente de forma sencilla: la corriente entra en una estructura, encuentra el camino más corto o «mejor» hacia tierra y se disipa principalmente a través del sistema de puesta a tierra más cercano.
Para una única torre de una línea aérea de transporte, esta intuición conduce a una expectativa habitual: durante un fallo a tierra, la mayor parte de la corriente debería entrar en la cimentación de la torre afectada y retornar localmente a través de su sistema de puesta a tierra.
Sin embargo, una infraestructura lineal no se comporta como un electrodo aislado.
Un corredor de línea aérea es un sistema acoplado eléctricamente: las torres de celosía, los cables de guarda, los conductores de fase, las cimentaciones de las torres, las capas del terreno, los sistemas de puesta a tierra de las subestaciones y las infraestructuras cercanas forman parte del mismo entorno electromagnético. La distribución de corriente no depende únicamente de la geometría, sino también del régimen de excitación.
Un fallo a tierra a 50 Hz y un impulso de rayo pueden recorrer el mismo corredor físico, con las mismas torres y los mismos sistemas de puesta a tierra, pero no necesariamente utilizan el mismo camino de retorno.
Para hacer visible este efecto, consideremos un ejemplo representativo sencillo: un corredor de línea aérea de 220 kV con torres de celosía, un cable de guarda, un conductor de fase, resistencias de puesta a tierra no uniformes en las torres y terminaciones equivalentes en ambos extremos del corredor.
Se comparan tres regímenes de excitación:
- un fallo a tierra a 50 Hz con una redistribución de corriente predominantemente óhmica,
- un fallo a tierra a 50 Hz que incluye el acoplamiento con el conductor de fase,
- un impulso de rayo de 10/350 µs aplicado al mismo corredor.
El objetivo es mostrar un efecto práctico de ingeniería: una misma infraestructura puede producir distribuciones de corriente completamente diferentes según la excitación sea un fallo a frecuencia industrial o un impulso de rayo.
Esto es importante para las tensiones de contacto en el pie de las torres, la evaluación de la puesta a tierra, las tuberías cercanas, los sistemas de cables, la infraestructura ferroviaria, las vallas y el diseño de la protección contra sobretensiones.
El corredor de ejemplo
El ejemplo es intencionadamente sencillo: un corredor representativo de línea aérea de 220 kV entre dos subestaciones. El corredor incluye torres de celosía, un cable de guarda, un conductor de fase y sistemas individuales de puesta a tierra en las torres.
Corredor representativo con varias torres utilizado para comparar el comportamiento ante fallos a 50 Hz y ante impulsos de rayo con la misma geometría física.
La torre 10 se selecciona como punto de inyección de corriente. Esto permite comparar la misma geometría bajo distintos regímenes de excitación: un fallo a tierra a 50 Hz y un impulso de rayo.
Para hacer el ejemplo más interesante, no se supone que las resistencias de puesta a tierra de las torres sean uniformes. Esto es importante porque los corredores reales rara vez presentan condiciones idénticas de terreno y puesta a tierra en todas las torres. En el ejemplo, una torre tiene una resistencia de puesta a tierra muy baja, mientras que la torre de inyección presenta un valor comparativamente alto. Esto plantea un caso de estudio útil: ¿permanece la corriente cerca del punto de inyección o se desplaza a lo largo del corredor para encontrar un camino de retorno mejor?
El mismo corredor, tres regímenes de excitación
El mismo corredor se compara bajo tres regímenes de excitación diferentes:
- redistribución óhmica de una corriente de fallo a tierra,
- un fallo a 50 Hz que incluye el acoplamiento con el conductor de fase,
- un impulso de rayo en la torre 10.
El primer caso representa el modelo clásico de «escalera del cable de guarda». El segundo añade el acoplamiento electromagnético entre el conductor de fase y el cable de guarda. El tercero cambia por completo el problema: debido al contenido de alta frecuencia del impulso de rayo, la impedancia inductiva del cable de guarda pasa a ser dominante.
Misma geometría. Mismos sistemas de puesta a tierra. Distinto régimen de excitación, distinto camino de la corriente.
La visión de conjunto en una imagen
Antes de examinar las corrientes de cada torre, conviene observar el potencial en la superficie del terreno alrededor del corredor.
La figura siguiente muestra el mismo corredor bajo los tres regímenes de excitación. La geometría no cambia. Los sistemas de puesta a tierra no cambian. Solo cambia el régimen de excitación.
Potencial en la superficie del terreno para el mismo corredor bajo redistribución óhmica, acoplamiento con el conductor de fase a 50 Hz y condiciones de impulso de rayo.
La diferencia es visible de inmediato.
En el caso de la redistribución óhmica, la distribución del potencial es amplia. El corredor se comporta como un sistema conectado eléctricamente y la corriente de retorno se reparte por una gran parte de la línea.
En el caso del fallo a 50 Hz con acoplamiento con el conductor de fase, la imagen adquiere una estructura más marcada: cada torre produce una elevación de potencial más local y se reduce la contribución global de la corriente de tierra.
Bajo condiciones de impulso de rayo, el comportamiento cambia por completo. La elevación de potencial se concentra alrededor de la torre 10, casi como una diana en torno a ella. El corredor deja de comportarse como una escalera de baja impedancia para la distribución de corriente; el impulso permanece principalmente localizado.
Este es el mensaje clave del artículo:
el mismo corredor, los mismos sistemas de puesta a tierra, pero un camino de la corriente completamente diferente.
Resultado 1: la corriente a 50 Hz «ve» toda la red de puesta a tierra
El caso de 50 Hz ya resulta menos intuitivo de lo esperado.
En la torre de inyección, la corriente no «ve» únicamente el sistema local de puesta a tierra de la torre. A través del cable de guarda, también ve las puestas a tierra de las torres vecinas en ambas direcciones.
En términos sencillos: numerosos sistemas de puesta a tierra de las torres funcionan conjuntamente como un camino de retorno distribuido en paralelo.
Por eso, la corriente no abandona necesariamente la estructura en el punto donde se aplica el fallo.
En el caso óhmico, la torre 10 conduce aproximadamente el 8,9 % de la corriente de fallo inyectada. Sin embargo, la torre 5, situada a varios vanos de distancia, conduce aproximadamente el 10,1 %.
¿Por qué? Porque la torre 5 tiene una resistencia de puesta a tierra menor. Para la corriente, es simplemente una salida hacia el terreno más favorable.
Cuando se incluye el conductor de fase, la proporción correspondiente a la torre 10 es aún menor. Esto demuestra que el acoplamiento entre el conductor de fase y el cable de guarda puede modificar de forma apreciable la corriente que retorna a través de los sistemas de puesta a tierra de las torres.
A 50 Hz, el corredor comparte el problema.
La ubicación del fallo es importante, pero no cuenta toda la historia.
Corriente en el pie de cada torre para los dos casos de 50 Hz, que muestra cómo participa el corredor como camino de retorno distribuido.
Resultado 2: la corriente de impulso de rayo permanece localizada
El caso del rayo presenta un aspecto completamente diferente.
Para el impulso de 10/350 µs, la torre 10 conduce aproximadamente el 89 % de la corriente inyectada. Las torres vecinas inmediatas todavía participan, pero tras unos pocos vanos la contribución de corriente se vuelve muy pequeña.
¿Por qué?
A 50 Hz, el cable de guarda se comporta como una conexión de baja impedancia entre los sistemas de puesta a tierra de las torres. El corredor ayuda a distribuir la corriente.
Bajo condiciones de rayo, el contenido de alta frecuencia cambia la situación. La impedancia inductiva del cable de guarda pasa a ser dominante y cada vano añade impedancia.
Por tanto, la corriente de impulso no «avanza» a lo largo del corredor de la misma manera. En su mayor parte, permanece donde entra.
Esto hace que el sistema local de puesta a tierra de la torre de inyección sea mucho más importante para la elevación del potencial de tierra, el riesgo por tensión de contacto y las solicitaciones sobre la infraestructura cercana.
Corriente en el pie de cada torre para el caso de rayo, en el que la mayor parte de la corriente de impulso inyectada permanece cerca de la torre 10.
Resultado 3: la distribución de corriente se convierte en una cuestión de seguridad
La tensión de contacto directamente en el pie de la torre no suele ser el principal escenario práctico de trabajo. En muchos casos, no se espera que una persona toque una torre de transporte durante un fallo.
Sin embargo, el resultado en el pie de la torre sigue siendo útil como ejemplo demostrativo: muestra cómo la elevación local del potencial de tierra y la distribución de corriente pueden convertirse en una cuestión de seguridad para la infraestructura cercana.
Algunos ejemplos realistas son:
- un técnico trabajando en un puesto de prueba de una tubería,
- personal manipulando la pantalla de un cable o trabajando en un trazado de telecomunicaciones o fibra óptica,
- una valla, puerta, armario o caja de conexiones cerca del tramo de línea afectado,
- un corredor de tuberías o un sistema ferroviario situado cerca de la línea aérea.
Como orientación, supongamos un tiempo breve de despeje del fallo de 250 ms y un nivel de referencia de aproximadamente 1 kV para la tensión de contacto prevista.
En la torre 10, el valor calculado supera claramente este nivel en ambos casos de 50 Hz.
El mensaje práctico es el siguiente:
Una torre no necesita conducir la mayor proporción de la corriente de fallo total para convertirse en un punto crítico para la seguridad.
Una resistencia local de puesta a tierra elevada puede seguir provocando una elevación local crítica del potencial de tierra, y la infraestructura cercana también puede verse afectada.
Tensión de contacto prevista más desfavorable en el pie de cada torre para los casos de 50 Hz, que ilustra por qué la distribución de corriente se convierte en una cuestión de seguridad.
Resultado 4: la conclusión clave: mismo corredor, distinto camino de la corriente
Esta es la historia completa en una sola vista.
En el caso óhmico, la corriente se reparte por el corredor.
Cuando se incluye el acoplamiento con el conductor de fase, la distribución vuelve a cambiar.
Bajo condiciones de impulso de rayo, la situación se invierte: la mayor parte de la corriente permanece cerca de la torre 10.
Mismo corredor.
Mismos sistemas de puesta a tierra.
Distinto régimen de excitación.
Distinto camino de la corriente.
Distintas solicitaciones sobre la infraestructura.
Distinto riesgo para la seguridad.
Reparto de corriente entre la torre de inyección, las torres cercanas y el resto del corredor para cada régimen de excitación.
| Caso | Torre impactada (T10) | 4 torres vecinas más próximas | Otras 15 torres |
|---|---|---|---|
| Redistribución óhmica | 9 % | 30 % | 60 % |
| 50 Hz con acoplamiento con el conductor de fase | 8 % | 26 % | 66 % |
| Impulso de rayo, 10/350 µs | 85 % | 15 % | < 1 % |
Mismo equipo. Distinto régimen. Un reparto de corriente completamente diferente.
Lo que extraigo de este análisis
La lección principal es sencilla:
La distribución de corriente en infraestructuras lineales no es solo un problema de ubicación.
Es un problema del régimen de excitación.
El mismo corredor puede comportarse como una red distribuida de puesta a tierra bajo condiciones de fallo a tierra y como un problema local de corriente de impulso bajo condiciones de rayo.
Esto es importante para la tensión de contacto, la evaluación de la puesta a tierra, las tuberías, los trazados de cables, los sistemas ferroviarios, las vallas, los armarios y el diseño de la protección contra sobretensiones.