SISTEMA DE LOCALIZACIÓN DEL TRAMO CON FALTA A TIERRA EN LÍNEAS DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA FERROVIARIAS BIFASICAS CON AUTOTRANSFORMADORES 5 D E S C R I P C I Ó N OBJETO DE LA INVENCIÓN 10 La presente patente de invención tiene por objeto presentar un nuevo sistema de localización del tramo con falta a tierra en líneas de alimentación eléctrica ferroviaria, con estructura bifásica de conductores en corriente alterna con autotransformadores, con el que se consigue identificar de manera inmediata el subtramo de la línea conectada a una 15 subestación en el que ha ocurrido una falta a tierra y el conductor en el que ha sucedido, permitiendo así aislar rápidamente dicho subtramo y conductor sin afectar al resto. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 20 En las líneas ferroviarias de alta velocidad se está utilizando habitualmente (por tener, entre otras, las ventajas de una mayor transmisión de potencia a los trenes y una menor caída de tensión con la distancia a la subestación de alimentación) un sistema de alimentación con dos conductores, uno positivo, con tensión alterna con polaridad positiva con respecto a 25 tierra, y otro negativo, con tensión alterna con polaridad negativa también con respecto a tierra, aunque la alimentación del tren se realiza entre el conductor positivo y el carril unido a tierra. En este sistema, a intervalos regulares dentro de cada tramo de la línea, se instalan varios autotransformadores conectados, un extremo de ellos al conductor positivo, la toma central al raíl unido a tierra, y el otro extremo del autotransformador al conductor negativo. 30 Si en un sistema de alimentación clásico de un solo conductor y retorno a tierra la mayoría de las faltas se producen por un cortocircuito entre el conductor de alimentación y tierra, también en el sistema bifásico la mayor parte de ellas se produce por cortocircuito entre el
conductor positivo y tierra ó el conductor negativo y tierra. Sin embargo, los procesos de detección, localización y eliminación de una falta eléctrica son mucho más complicados en los sistemas bifásicos más tierra, al estar unidos en cada subtramo los tres conductores mediante autotransformadores. La razón de esta dificultad es que, la impedancia que presenta la línea en falta medida desde la subestación en un sistema de un solo conductor, 5 es lineal con la distancia a la que ha ocurrido la falta, y se puede determinar así la posición de dicha falta; mientras que en los sistemas bifásicos con autotransformadores la variación de dicha impedancia con la distancia a la falta, no es lineal, sino que el diagrama es curvo en cada subtramo entre autotransformadores, alcanzando justo en ellos un valor inferior. De acuerdo a dicho diagrama, no se puede determinar por un determinado valor de la 10 impedancia la distancia a la falta, con lo que es muy importante identificar el subtramo entre autotransformadores y el conductor positivo ó negativo en el que la falta a tierra ha ocurrido. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN 15 El sistema objeto de la presente invención permite conocer rápidamente el subtramo y el conductor en el que ha ocurrido una falta a tierra, y desde un centro de control se puede aislarlos inmediatamente mediante dispositivos de conexión y desconexión, y así proceder a 20 restablecer el servicio a los subtramos no afectados mediante su reconexión eléctrica. El sistema de localización del tramo con faltas a tierra en líneas o sistemas de alimentación ferroviaria con estructura bifásica de conductores en corriente alterna con autotransformadores comprende: 25 - Un dispositivo sensor por cada uno de los autotransformadores intermedios, que mide la intensidad entrante en el devanado del autotransformador conectado al conductor de alimentación, y la tensión del conductor de alimentación del tendido ferroviario en el punto de conexión con dicho autotransformador. En caso de que la línea alimentada por la subestación ferroviaria sólo tenga dos 30 subtramos (y por tanto un solo autotransformador intermedio), el sistema precisa instalar un dispositivo sensor en el autotransformador final además del correspondiente al autotransformador intermedio. - Un dispositivo analizador por cada autotransformador intermedio que compara el
desfase entre la intensidad y la tensión medidas por cada conjunto sensor, y procesando estas medidas envía el resultado a la subestación eléctrica de alimentación. Al igual que el conjunto sensor, se necesita un dispositivo analizador en el autotransformador final en caso de sólo dos subtramos. - Un controlador en la subestación que recibe las señales de cada dispositivo 5 analizador y, mediante ellas, determina en qué subtramo entre autotransformadores y en qué conductor, se ha producido la falta a tierra. - Un equipo de presentación conectado al controlador que recoge la señal de salida de éste y muestra los resultados a un operador. 10 El conjunto dispositivo sensor obtiene unas señales proporcionales a la intensidad que entra en el devanado de cada autotransformador y a la tensión en la conexión del conductor de alimentación. En caso de falta el analizador envía una incidencia al controlador, que a su vez indica en el equipo de presentación el tipo y el tramo donde se ha producido la falta. 15 DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar 20 a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña la presente memoria descriptiva, formando parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: La figura 1.- muestra un esquema del sistema de localización del tramo con faltas a tierra en 25 tendidos eléctricos ferroviarios alimentados con sistema de conductores bifásico con autotransformadores, objeto de la presente patente de invención. La figura 2.- muestra la relación lineal de la impedancia vista desde la subestación en función de la distancia a la falta en los sistemas de alimentación ferroviaria de un solo 30 conductor. La figura 3.- muestra la relación no lineal de la impedancia vista desde la subestación en función de la distancia a la falta en los sistemas de alimentación ferroviaria de dos
conductores con autotransformadores, a los que es aplicable la presente invención. La figura 4.- muestra una realización preferente del sistema de localización del tramo con faltas a tierra en tendidos eléctricos ferroviarios alimentados con sistema de conductores bifásico con autotransformadores, objeto de la presente patente de invención. 5 La figura 5.- muestra un posible esquema para mostrar el resultado obtenido en la pantalla del equipo de presentación al producirse una falta entre el conductor de alimentación positivo y tierra en el subtramo comprendido entre el segundo autotransformador y el autotransformador final del tramo. 10 La figura 6.- muestra un esquema del tramo ferroviario alimentado desde una subestación en caso de funcionamiento normal con carga de un tren. La figura 7.- muestra el ángulo de unos 180º que forma la intensidad entrante al 15 autotransformador con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al autotransformador, en el caso de funcionamiento normal. La figura 8.- muestra el ángulo de unos 90º que forma la intensidad entrante al autotransformador con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al 20 autotransformador en el caso de falta entre el conductor positivo y tierra. La figura 9.- muestra el ángulo de unos 270º que forma la intensidad entrante al autotransformador con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al autotransformador, en el caso de falta entre el conductor negativo y tierra. 25 La figura 10.- muestra otra realización preferente del sistema de localización del tramo con faltas a tierra en tendidos eléctricos ferroviarios alimentados con sistema de conductores bifásico con autotransformadores, en el caso de que sólo haya dos subtramos en el tramo alimentado desde la subestación. 30
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN Como se puede ver en las figuras referidas, el sistema de la invención aplicable en la localización del tramo con faltas a tierra de tendidos de alimentación eléctrica en redes ferroviarias, incluye el correspondiente tendido eléctrico con el conductor de tierra (1), el 5 conductor positivo ,(2) y el conductor negativo (3), incluyendo los autotransformadores (4), y estableciéndose entre estos los considerados sub-tramos A, B, C, de manera que cada autotransformador (4) incorpora un dispositivo sensor (5) y un dispositivo analizador (6), todo ello relacionado con la correspondiente subestación (7) de alimentación del tramo ferroviario que se pretende controlar, y en donde se ha previsto un controlador (8) para 10 obtener el resultado y un equipo de presentación (9) que presenta los resultados al operador. De acuerdo con la figura 4, donde se muestra la realización preferente, el dispositivo sensor (5), en cada caso, comprende un transformador de intensidad (10) y un transformador de 15 tensión (11), de manera tal que el transformador de intensidad (10) se instala en el extremo positivo del autotransformador (4) para que mida la corriente que entra en el autotransformador desde el conductor positivo, mientras que el transformador de tensión (11) está instalado de forma tal que medirá la tensión del conductor de alimentación positivo (2). 20 Como dispositivo analizador (6) se utilizará preferentemente un relé de sobreintensidad direccional que actúa cuando se produce una falta a tierra (1), cumpliéndose determinadas condiciones. 25 El transformador de intensidad (10) y el transformador de tensión (11), se conectan al relé de sobreintensidad direccional, es decir al dispositivo analizador (6), de manera que de cada relé se conectan dos salidas al controlador (8) situado en la propia subestación (7). El controlador (8) es un controlador lógico programable PLC que recibe las señales de los 30 distintos relés o dispositivos analizadores (6) y mediante ellos determina en que subtramo entre autotransformadores (4) y en que conductor se ha producido la falta a tierra (1), con la particularidad de que el equipo de presentación (9) es un ordenador que, conectado al controlador (8), recoge la señal de salida de este y presenta resultados en la pantalla a un
operador. Al producirse una falta por cortocircuito entre uno de los conductores y tierra, el transformador de intensidad (10), situado en el autotransformador (4), que delimita el subtramo en que ha ocurrido la falta, mide valores altos de intensidad que harían actuar al 5 relé que constituye el dispositivo analizador (6), aunque este se parametriza para que solamente actúe de manera direccional, cuando el ángulo que forma la intensidad medida con la tensión en el conductor positivo, medida por el transformador de tensión (11), forme un ángulo aproximadamente de 90º o de 270º, notablemente menor o mayor que el que mide en condiciones normales sin falta, que está alrededor a 180º. 10 Conectando el relé o dispositivo analizador (6) de forma que envíe la señal de activación al controlador (8) por dos salidas diferentes cuando el ángulo sea de aproximadamente 90º o de aproximadamente 270º, el controlador (8) deducirá si es una falta del conductor positivo o negativo, y dependiendo de cuales son los analizadores (6) o relés propiamente dichos de 15 los que recibe la señal de activación, deducirá que la posición del subtramo en falta es el comprendido entre los analizadores o relés activados (6). Si el subtramo es inicial o final, el controlador solo recibirá la señal de activación de un solo relé o analizador (6), ya que no tiene conectados estos, ni a la subestación ni al autotransformador final. 20 Los resultados obtenidos por el controlador (8) se notifican al operador en la pantalla del ordenador que forma el equipo de presentación (9), tal y como se muestra en la figura 5. El dispositivo analizador compara en cada momento el módulo y la fase de la intensidad y la tensión suministrada por el correspondiente dispositivo sensor. 25 En funcionamiento normal, con la carga que demanda un tren (12) alimentado entre el conductor positivo y tierra (Figura 6), el ángulo que forma la intensidad entrante al autotransformador Ia con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al autotransformador Vc es de 180º aproximadamente (Figura 7). 30 Cuando se produce una falta a tierra en un determinado subtramo, se produce un incremento muy fuerte y repentino del módulo de la intensidad Ia que circula por el devanado de los autotransformadores que delimitan dicho subtramo, variando además la
fase que forma cada una con la tensión de alimentación positiva Vc de dichos autotransformadores. En particular, si la falta se produce entre el conductor positivo y tierra, ocurre una disminución notable, de aproximadamente a 90º, en el ángulo que forma la intensidad del devanado que entra desde el conductor positivo con la tensión positiva, pasando de unos 180º a unos 90º (Figura 8). De manera recíproca, si la falta se produce 5 entre el conductor negativo y tierra, se produce un incremento apreciable, de aproximadamente 90º, entre el ángulo que forma la intensidad del devanado que entra desde el conductor positivo Ia con la misma tensión positiva Vc, cambiando desde los iniciales 180º a los 270º (Figura 9). En el primer caso el analizador enviará una señal al controlador de incidencia en el conductor positivo, y en el segundo de incidencia en el 10 conductor negativo. Cuando el controlador recibe las incidencias, dependiendo de los analizadores en los autotransformadores de los que ha recibido dichas incidencias, enviará una señal al equipo de presentación de la subestación (y subsidiariamente a un centro de control), para que 15 dicho equipo muestre a un operador el subtramo y conductor en el que ha ocurrido la falta a tierra. Gracias al sistema así descrito se consigue obtener esta información de manera inmediata, y así tomar las decisiones de aislamiento de únicamente la zona con falta a tierra. 20 En el caso de tratarse de una instalación con dos subtramos con medida en un solo devanado del autotransformador, tal y como se representa en la figura 10, únicamente existen dos subtramos A y B alimentados por la subestación eléctrica (7). En este caso se instala también, en el autotransformador final (4), es decir el mas alejado de la subestación 25 (7), el dispositivo sensor (5) y el dispositivo analizador (6) conectado al controlador (8) de la subestación (7), de la misma forma que se instala en el autotransformador intermedio (4). Así mismo, el dispositivo sensor (5) esta formado por un transformador de intensidad (10) y un transformador de tensión (11), y como dispositivo analizador (6) se utilizará también un relé de sobreintensidad direccional. 30 En este caso, cuando suceda una falta en el primer subtramo A, solo se activará la salida correspondiente del relé del autotransformador intermedio (4), indicando falta, mientras que si la falta es en el segundo tramo B, además de la salida del relé del autotransformador
intermedio (4), se activará la salida correspondiente del relé del autotransformador final (4). 5