Cómo Resolver el Juicio de Falla de Aterramiento de Fase Única para 3 Fases 4PT en Sistemas sin Aterramento

En sistemas no aterrizados de 10 kV y 35 kV, las fallas de aterrizaje monofásico causan una corriente mínima, por lo que la protección rara vez se activa. Según las regulaciones, la operación está limitada a 2 horas; las fallas no detectadas durante mucho tiempo pueden empeorar, incluso dañando los interruptores. Mientras que la Red Estatal promueve dispositivos de selección de líneas de aterrizaje de corriente pequeña en subestaciones de 110 kV y 220 kV, su precisión sigue siendo baja, requiriendo que el personal de monitoreo/operación analice las mediciones remotas. Para sistemas no aterrizados con transformadores de voltaje trifásicos 4PT, este artículo analiza el aterrizaje monofásico para mejorar la utilidad de las mediciones remotas para el personal, ofreciendo soluciones basadas en la experiencia en campo.

1 Análisis de la Operación Normal y las Fallas de Aterrizaje Monofásico en Sistemas No Aterrizados
1.1 Principio del Transformador de Voltaje Durante la Operación Normal

Para un transformador de voltaje trifásico 4PT de barras de 10 kV (conexión: Figura 1), U_A, U_B, U_C (voltajes fase-tierra), U_L (voltaje de secuencia cero); U_Aa, U_Bb, U_Cc (voltajes de fase de bobina primaria); U_a, U_b, U_c (voltajes de fase de bobina secundaria), 3U₀ (voltaje de secuencia cero). Todas las relaciones de transformación son: (10 kV/√3)/(57.74 V).

Durante la operación normal, se analizan los voltajes trifásicos primarios y de secuencia cero, como se muestra en la Ecuación (1). De la Ecuación (1), se obtienen los voltajes secundarios como U_a= 57.74 V, U_b = 57.74V, U_c = 57.74V, y 3U₀ = 0V, que son consistentes con los voltajes secundarios del transformador de voltaje con conexión delta abierta trifásica.

1.2 Análisis del Principio del PT en Aterrizaje Monofásico

Cuando ocurre una falla de aterrizaje en la fase A, el lado primario del transformador de voltaje puede representarse equivalentemente como se muestra en la Figura 2. Entre ellos, las bobinas primarias del PT trifásico son , la impedancia de la bobina de secuencia cero es , y U_A', U_B', U_C', U_L' son los voltajes fase-tierra de las tres fases y el voltaje de secuencia cero cuando ocurre una falla de aterrizaje en la fase A, respectivamente.

Según el teorema de superposición, se puede obtener que

Según las características del transformador de voltaje trifásico 4PT, la impedancia de la bobina de secuencia cero es mucho mayor que la de la bobina de fase. Entonces, la fórmula anterior se puede simplificar como se muestra en la Fórmula (3).

Cuando ocurre una falla de aterrizaje en la fase A, el voltaje fase-tierra de la fase A es 0, y los voltajes de las fases B y C son 10 kV. Combinado con la Fórmula (3), se puede obtener el diagrama fasorial durante la falla de aterrizaje monofásico, como se muestra en la Figura 3.

Según el análisis del diagrama fasorial en la Figura 3, se puede obtener la Fórmula (4). Entre ellos, U_Aa', U_Bb', y U_Cc' son los voltajes de la bobina primaria de la barra después de la falla de aterrizaje en la fase A, respectivamente.U_Aa'= U_A 10kV√3, U_Bb'= U_B 10kV√3, U_Cc' =U_C 10kV√3, U_L'=U_A = 10kV √3. Convertidos al lado secundario después de la falla, se obtiene U_a' = 57.74V, U_b' = 57.74V, U_c' = 57.74V, y 3U₀' = 57.74V.

Del análisis anterior, en un sistema no aterrizado, cuando ocurre una falla de aterrizaje monofásico, los voltajes de las tres fases ABC son todos 57.74 V, lo cual es consistente con la situación de operación normal. Solo el voltaje de secuencia cero se eleva al voltaje de fase, lo que trae gran confusión al personal de monitoreo y mantenimiento. Es muy difícil determinar que se trata de una falla de aterrizaje monofásico. Además, debido a que la corriente de falla es demasiado pequeña para que la protección active el salto de protección, esto trae peligros ocultos para la operación segura y estable de la red eléctrica.

2 Medidas de Rectificación

Para resolver el problema de que, para el transformador de voltaje con el modo de conexión trifásico 4PT, cuando ocurre una falla de aterrizaje monofásico, las mediciones remotas de voltaje trifásico cargadas son consistentes con la situación de operación normal, lo que trae cierta confusión al personal de monitoreo y mantenimiento. Este artículo propone mantener inalterado el modo de conexión de la bobina de voltaje primaria del transformador de voltaje trifásico 4PT y cambiar la conexión de la bobina secundaria, como se muestra en la Figura 4.

Basado en el principio analizado en la Sección 1.2, podemos derivar: U_A' = U_L' + U_Aa' = 0V, U_B' = U_L' + U_Bb' = 10kV, U_C' = U_L' + U_Cc' = 10kV. Es decir, los voltajes secundarios después de la falla son U_A' = 0V, U_B' = 100 kV, U_C' = 100kV, y3U₀' = 57.74kV. De los datos analizados anteriormente, para el transformador de voltaje trifásico 4PT mejorado, durante una falla de aterrizaje monofásico, los voltajes trifásicos son consistentes con los de una falla monofásica en un sistema trifásico de cuatro hilos, y el voltaje de secuencia cero también se eleva al voltaje de fase.

El personal de monitoreo y mantenimiento puede determinar rápidamente que ha ocurrido una falla de aterrizaje monofásico en el sistema de 10 kV. Combinado con el dispositivo de selección de líneas de aterrizaje de corriente pequeña, se puede eliminar la línea de falla relevante lo antes posible.

3 Conclusión

Este artículo propone un método de conexión de la bobina secundaria para el transformador de voltaje trifásico 4PT, que puede cargar mediciones remotas de voltaje trifásico con las mismas características que las de una falla de aterrizaje monofásico en un sistema no aterrizado al sistema de monitoreo. Así, es más conveniente para el personal de monitoreo y mantenimiento hacer juicios rápidos, prevenir que la falla empeore aún más y asegurar la operación segura y estable de la red eléctrica.