Anàlisi de les mesures de protecció contra els raigs per a transformadors de distribució

Anàlisi de les mesures de protecció contra llamps per a transformadors de distribució

Per evitar la intrusió d'impulsos causats per llamps i assegurar el funcionament segur dels transformadors de distribució, aquest article presenta mesures de protecció contra llamps aplicables que poden millorar eficaçment la seva capacitat de suportar descàrregues atmosfèriques.

1. Mesures de protecció contra llamps per a transformadors de distribució

1.1 Instal·lació de parallamps al costat d'alta tensió (AT) del transformador de distribució.
Segons el SDJ7–79 Codi tècnic per al disseny de protecció contra sobretensions en equipaments elèctrics: “El costat d'alta tensió d'un transformador de distribució hauria de protegir-se generalment amb parallamps. El conductor de terra del parallamps, el punt neutre de l'enrotllament de baixa tensió (BT) i el dipòsit del transformador s'han de connectar entre si i posar a terra.” Aquesta configuració també es recomana al DL/T620–1997 Protecció contra sobretensions i coordinació d'aïllament per a instal·lacions elèctriques de corrent altern, publicat per l'autoritat elèctrica xinesa.

Tanmateix, investigacions extensives i experiència en camp demostren que, fins i tot amb parallamps només al costat d'AT, els transformadors encara pateixen avaries sota impulsos de llamp. En àrees típiques, la taxa anual d'incidències és d'aproximadament un 1%; en regions amb molts llamps pot arribar a un 5%; i en zones de tempesta extremadament severes (per exemple, àrees amb més de 100 dies de tempesta anuals), la taxa anual d'incidències pot pujar fins a un 50%. La causa principal són les sobretensions transitoris directes i inverses induïdes quan els impulsos de llamp entren a l'enrotllament d'AT.

• Sobretensió per transformació inversa:
  Quan un impuls de llamp (3–10 kV) entra pel costat d'AT, el parallamps descarrega, provocant un corrent d'impuls elevat que circula a través de la resistència de terra, creant una caiguda de tensió. Aquesta tensió eleva el potencial del punt neutre de BT. Si la línia de BT és llarga, actua com una impedància d'ona a terra. En conseqüència, un corrent d'impuls elevat circula a través de l'enrotllament de BT. Com que els corrents trifàsics de BT són iguals en magnitud i direcció, generen un flux magnètic de seqüència zero molt intens, que –mitjançant la relació d'espires del transformador– indueix tensions transitoris extremadament elevades a l'enrotllament d'AT. Com que l'enrotllament d'AT està connectat en estrella amb un neutre no posat a terra, no existeix cap corrent d'impuls circular al costat d'AT per contrarestar aquest flux. Per tant, tot el corrent d'impuls de BT actua com a corrent d'excitació, produint una tensió induïda elevada al terminal neutre d'AT –on l'aïllament és més vulnerable–. A més, els gradients de tensió entre espire i espire i entre capes augmenten significativament, amb risc de trencament de l'aïllament en altres punts. Aquest fenomen –originat per un impuls al costat d'AT però que indueix una sobretensió mitjançant acoblament electromagnètic al costat de BT– es coneix com a transformació inversa.
• Sobretensió per transformació directa:
  Quan un impuls de llamp entra a través de la línia de BT, un corrent d'impuls circula per l'enrotllament de BT, induint una tensió elevada a l'enrotllament d'AT mitjançant la relació d'espires. Això eleva dràsticament el potencial del neutre d'AT i incrementa els gradients de tensió entre capes i entre espire i espire. Aquest procés –en què un impuls al costat de BT indueix una sobretensió al costat d'AT– es denomina transformació directa. Els assaigs mostren que amb un impuls de 10 kV a BT i una resistència de terra de 5 Ω, el gradient de tensió entre capes a l'enrotllament d'AT pot superar més del 100% la resistència a l'impuls d'ona completa del transformador, provocant inevitablement la fallada de l'aïllament.

1.2 Instal·lació de parallamps de tipus vàlvula convencional o d'òxid metàl·lic al costat de BT.
En aquesta configuració, els conductors de terra dels parallamps d'AT i de BT, el punt neutre de BT i el dipòsit del transformador es connecten tots entre si i es posen a terra (sovint anomenat “connexió de quatre punts” o “connexió de tres en un”).

Dades de camp i estudis experimentals confirmen que, fins i tot per a transformadors amb bon aïllament, els parallamps al costat d'AT no poden prevenir danys causats per sobretensions de transformació directa o inversa. Els parallamps d'AT no ofereixen protecció contra aquests transitoris generats internament. Els gradients de tensió resultants entre capes i espire són proporcionals al nombre d'espires i depenen de la geometria de l'enrotllament –les fallades poden ocórrer al començament, al mig o al final de l'enrotllament, sent el final el més vulnerable–. L'addició de parallamps al costat de BT limita eficaçment tant les sobretensions de transformació directa com les d'inversa.

1.3 Terra independent per als costats d'AT i de BT.
En aquest enfocament, el parallamps d'AT es posa a terra de forma independent, mentre que el neutre de BT i el dipòsit del transformador es connecten entre si i es posen a terra separadament (sense parallamps de BT).

Les investigacions mostren que aquest mètode aprofita l'atenuació del terra per eliminar en gran mesura la sobretensió per transformació inversa. Pel que fa a la transformació directa, els càlculs indiquen que reduir la resistència de terra de BT de 10 Ω a 2,5 Ω pot disminuir la sobretensió del costat d'AT aproximadament un 40%. Amb un tractament adequat del sistema de terra de BT, la sobretensió per transformació directa es pot mitigar eficaçment. Aquesta solució és senzilla i econòmica, tot i que exigeix una resistència de terra de BT baixa, cosa que li dona un valor pràctic considerable.

A més d'això, altres mesures inclouen la instal·lació d'enrotllaments equilibradors al nucli del transformador per suprimir les sobretensions de transformació o l'inclusió de varistors d'òxid metàl·lic (MOVs) a l'interior del transformador.

2. Aplicació de les mesures de protecció contra llamps

L'anàlisi anterior mostra que cada mètode de protecció té característiques distintes. Les regions haurien de seleccionar estratègies adequades segons la intensitat local de tempestes (mesurada en dies de tempesta per any):

• Zones de baixa il·luminació (p. ex., plans):Un parafulmins al costat d'alta tensió és suficient degut a les baixes taxes anuals d'averia.
• Zones amb il·luminació moderada:Instal·lar parafulmins als costats d'alta i baixa tensió.
• Zones d'alta il·luminació:Les mesures individuals sovint no són prou. Es recomana un enfocament integral: parafulmins d'alta tensió amb terra independent, més parafulmins de baixa tensió connectats, neutre de baixa tensió i tanca connectada a un sistema de terra separat.
• Zones de llampades severes (especialment on les taxes anuals d'averia romanen altes malgrat les mesures integrals):Després d'una avaliació tècnica i econòmica, considerar solucions avançades com bobines d'equilibrat montades al nucli (és a dir, transformadors resistent a llamps nous) o parafulmins d'òxid metàl·lic instal·lats internament.

3. Conclusió

Els mètodes de protecció contra els llamps per a transformadors de distribució varien ampliament, i les condicions del lloc difereixen significativament entre regions. Seleccionant esquemes de protecció basats en les condicions locals i reforçant la gestió operativa, les companyies elèctriques poden millorar substancialment la resistència als llamps i la fiabilitat dels transformadors de distribució.