Análisis de Medidas de Protección contra Rayos para Transformadores de Distribución

Análisis de las medidas de protección contra rayos para transformadores de distribución

Para prevenir la intrusión de sobretensiones por rayos y garantizar el funcionamiento seguro de los transformadores de distribución, este documento presenta medidas de protección contra rayos aplicables que pueden mejorar efectivamente su capacidad de resistencia a los rayos.

1. Medidas de protección contra rayos para transformadores de distribución

1.1 Instalar pararrayos en el lado de alta tensión (AT) del transformador de distribución.
Según SDJ7–79 Código Técnico para el Diseño de Protección Contra Sobretensiones en Equipos Eléctricos: “El lado de alta tensión de un transformador de distribución generalmente debe estar protegido por pararrayos. El conductor de tierra del pararrayos, el punto neutro del devanado de baja tensión (BT) y el tanque del transformador deben estar conectados juntos y a tierra.” Esta configuración también se recomienda en DL/T620–1997 Protección Contra Sobretensiones e Coordinación de Aislamiento para Instalaciones Eléctricas de CA emitido por la autoridad eléctrica de China.

Sin embargo, extensas investigaciones y experiencias de campo muestran que incluso con pararrayos solo en el lado de alta tensión, los fallos de los transformadores siguen ocurriendo bajo sobretensiones por rayos. En áreas típicas, la tasa de falla anual es de alrededor del 1%; en regiones de alta actividad eléctrica, puede alcanzar aproximadamente el 5%; y en zonas de tormentas eléctricas extremadamente severas (por ejemplo, áreas con más de 100 días de tormenta eléctrica al año), la tasa de falla anual puede aumentar hasta alrededor del 50%. La causa principal son las sobretensiones transitorias directas e inversas inducidas cuando las sobretensiones por rayos invaden el devanado de alta tensión.

• Sobretensión Inversa de Transformación:
  Cuando una sobretensión por rayo (3–10 kV) invade el lado de alta tensión, el pararrayos descarga, causando que una corriente de impulso grande fluya a través de la resistencia de tierra, creando una caída de tensión. Esta tensión eleva el potencial del punto neutro de baja tensión. Si la línea de baja tensión es larga, se comporta como una impedancia de onda a tierra. Como consecuencia, fluye una corriente de impulso grande a través del devanado de baja tensión. Dado que las corrientes de baja tensión trifásica son iguales en magnitud y dirección, generan un flujo magnético de secuencia cero fuerte, que, a través de la relación de vueltas del transformador, induce tensiones transitorias extremadamente altas en el devanado de alta tensión. Dado que el devanado de alta tensión está conectado en estrella con un neutro no a tierra, no existe una corriente de impulso circulante en el lado de alta tensión para contrarrestar el flujo. Por lo tanto, toda la corriente de impulso de baja tensión actúa como corriente de magnetización, produciendo una alta tensión inducida en el extremo neutro de alta tensión, donde el aislamiento es más vulnerable. Además, los gradientes de tensión entre vueltas y capas aumentan significativamente, poniendo en riesgo el fallo de aislamiento en otros lugares. Este fenómeno, iniciado por un impulso en el lado de alta tensión pero induciendo sobretensión a través del acoplamiento electromagnético de baja tensión, se conoce como transformación inversa.
• Sobretensión Directa de Transformación:
  Cuando una sobretensión por rayo entra a través de la línea de baja tensión, la corriente de impulso fluye a través del devanado de baja tensión, induciendo una alta tensión en el devanado de alta tensión a través de la relación de vueltas. Esto eleva drásticamente el potencial neutro de alta tensión e incrementa los gradientes de tensión entre capas y vueltas. Este proceso, donde un impulso en el lado de baja tensión induce sobretensión en el lado de alta tensión, se llama transformación directa. Las pruebas muestran que con un impulso de baja tensión de 10 kV y una resistencia de tierra de 5 Ω, el gradiente de tensión entre capas en el devanado de alta tensión puede superar la resistencia de impulso de onda completa del transformador en más del 100%, causando inevitablemente el fallo del aislamiento.

1.2 Instalar pararrayos convencionales de válvula o de óxido metálico en el lado de baja tensión.
En esta configuración, los conductores de tierra de los pararrayos de alta y baja tensión, el punto neutro de baja tensión y el tanque del transformador están todos conectados juntos y a tierra (a menudo se refiere a esto como “conexión de cuatro puntos” o “tierra triple”).

Los datos de campo y estudios experimentales confirman que incluso para transformadores con buen aislamiento, los pararrayos solo en el lado de alta tensión no pueden prevenir daños por sobretensiones de transformación directa o inversa. Los pararrayos de alta tensión no ofrecen protección contra estos transitorios internamente generados. Los gradientes de tensión resultantes entre capas y vueltas son proporcionales al número de vueltas y dependen de la geometría del devanado; los fallos pueden ocurrir en el inicio, medio o final del devanado, siendo el extremo terminal el más vulnerable. Añadir pararrayos en el lado de baja tensión limita eficazmente tanto las sobretensiones de transformación directa como inversa.

1.3 Tierras separadas para los lados de alta y baja tensión.
En este enfoque, el pararrayos de alta tensión se aterra independientemente, mientras que el neutro de baja tensión y el tanque del transformador están conectados y aterrizados por separado (sin un pararrayos de baja tensión).

Las investigaciones muestran que este método aprovecha la atenuación terrestre para eliminar en gran medida la sobretensión de transformación inversa. Para la transformación directa, los cálculos indican que reducir la resistencia de tierra de baja tensión de 10 Ω a 2.5 Ω puede disminuir la sobretensión en el lado de alta tensión en aproximadamente 40%. Con un tratamiento adecuado del sistema de tierra de baja tensión, la sobretensión de transformación directa puede mitigarse eficazmente. Esta solución es simple y económica, aunque requiere una resistencia de tierra de baja tensión baja, lo que le da un valor práctico considerable.

Más allá de lo anterior, otras medidas incluyen instalar devanados de equilibrado en el núcleo del transformador para suprimir las sobretensiones de transformación o incrustar varistores de óxido metálico (MOV) dentro del transformador.

2. Aplicación de medidas de protección contra rayos

El análisis anterior muestra que cada método de protección tiene características distintivas. Las regiones deberían seleccionar estrategias apropiadas basadas en la intensidad local de tormentas eléctricas (medida en días de tormenta eléctrica por año):

• Zonas de baja actividad eléctrica (por ejemplo, llanuras):Un pararrayos del lado HV es suficiente debido a las bajas tasas de fallos anuales.
• Zonas de actividad eléctrica moderada:Instale pararrayos en ambos lados, HV y LV.
• Zonas de alta actividad eléctrica:Las medidas individuales a menudo son insuficientes. Se recomienda un enfoque integral: pararrayos HV con tierra independiente, más pararrayos LV conectados, neutro LV y tanque conectado a un sistema de tierra separado.
• Zonas de actividad eléctrica severa (especialmente donde las tasas de fallos anuales permanecen altas a pesar de las medidas integrales):Después de una evaluación técnica y económica, considere soluciones avanzadas como bobinas de equilibrio montadas en el núcleo (es decir, transformadores resistentes a rayos de nuevo tipo) o pararrayos de óxido metálico instalados internamente.

3. Conclusión

Los métodos de protección contra rayos para transformadores de distribución varían ampliamente, y las condiciones del sitio difieren significativamente entre regiones. Al seleccionar esquemas de protección basados en las condiciones locales y fortalecer la gestión operativa, las empresas de servicios públicos pueden mejorar sustancialmente la resistencia a los rayos y la confiabilidad de los transformadores de distribución.