Análise das Medidas de Protección contra Raios para Transformadores de Distribución

Análise das medidas de protección contra o raio para transformadores de distribución

Para prevenir a intrusión de sobretensións por raio e garantir a operación segura dos transformadores de distribución, este artigo presenta medidas de protección contra o raio aplicables que poden mellorar eficazmente a súa capacidade de resistencia ao raio.

1. Medidas de protección contra o raio para transformadores de distribución

1.1 Instalar pararrayos no lado de alta tensión (AT) do transformador de distribución.
Segundo o Código Técnico de Diseño de Protección Contra Sobretensións para Equipamento Eléctrico SDJ7–79: “O lado de alta tensión dun transformador de distribución debe ser xeralmente protexido por pararrayos. O condutor de terra do pararrayos, o punto neutro da bobina de baixa tensión (BT) e o tanque do transformador deben estar unidos e terrados.” Esta configuración tamén é recomendada no DL/T620–1997 Protección Contra Sobretensións e Coordinación de Aislamentos para Instalacións Eléctricas de Corrente Alternativa emitido pola autoridade eléctrica de China.

No entanto, extensas investigacións e experiencia en campo mostran que mesmo con pararrayos só no lado de alta tensión, os fallos nos transformadores aínda ocorren baixo sobretensións por raio. Na áreas típicas, a taxa anual de fallos é aproximadamente do 1%; nas rexións de alta actividade eléctrica, pode chegar a aproximadamente o 5%; e nas zonas de tormentas extremadamente severas (por exemplo, áreas con máis de 100 días de tormenta por ano), a taxa anual de fallos pode dispararse a arredor do 50%. A causa principal son as sobretensións transitorias directas e inversas inducidas cando as sobretensións por raio invaden a bobina de alta tensión.

• Sobretensión de Transformación Inversa:
  Cando unha sobretensión por raio (3–10 kV) invade o lado de alta tensión, o pararrayos dispara, provocando que unha gran corrente impulsiva fluxe a través da resistencia de terra, creando unha caída de tensión. Esta tensión eleva o potencial do punto neutro de baixa tensión. Se a liña de baixa tensión é longa, comportase como unha impedancia de onda cara a terra. Como consecuencia, unha gran corrente impulsiva fluxe a través da bobina de baixa tensión. xa que as correntes de baixa tensión trifásicas teñen igual magnitude e dirección, xeran un fluxo magnético de secuencia cero forte, que, a través da relación de voltaxe entre bobinas, induce tensións transitorias extremadamente altas na bobina de alta tensión. Como a bobina de alta tensión está conectada en estrela cun neutro non terrado, non existe unha corrente impulsiva circular no lado de alta tensión para equilibrar o fluxo. Polo tanto, toda a corrente impulsiva de baixa tensión actúa como corrente de magnetización, producindo unha alta tensión inducida no final neutro de alta tensión, onde o aislamento é máis vulnerable. Ademais, os gradientes de tensión entre espiras e entre capas aumentan significativamente, pondo en risco o fallo do aislamento en outras partes. Este fenómeno, iniciado por unha sobretensión no lado de alta tensión pero inducindo sobretensión a través do acoplamento electromagnético de baixa tensión, coñécese como transformación inversa.
• Sobretensión de Transformación Directa:
  Cando unha sobretensión por raio entra a través da liña de baixa tensión, a corrente impulsiva fluye a través da bobina de baixa tensión, inducindo unha alta tensión na bobina de alta tensión a través da relación de voltaxe. Isto eleva drasticamente o potencial do neutro de alta tensión e aumenta os gradientes de tensión entre capas e entre espiras. Este proceso, onde unha sobretensión no lado de baixa tensión induce sobretensión no lado de alta tensión, chámase transformación directa. As probas mostran que cunha sobretensión de 10 kV no lado de baixa tensión e unha resistencia de terra de 5 Ω, o gradiente de tensión entre capas na bobina de alta tensión pode superar a resistencia de impulsos de onda completa do transformador en máis do 100%, causando inevitablemente o fallo do aislamento.

1.2 Instalar pararrayos convencionais de válvula ou de óxido metálico no lado de baixa tensión.
Nesta configuración, os conductores de terra dos pararrayos de alta e baixa tensión, o punto neutro de baixa tensión e o tanque do transformador están todos unidos e terrados (a miúdo chamado “ligazón de catro puntos” ou “terra tríplice”).

Os datos de campo e os estudos experimentais confirmam que incluso para transformadores con bo aislamento, os pararrayos só no lado de alta tensión non poden evitar danos por sobretensións de transformación directa ou inversa. Os pararrayos de alta tensión non ofrecen protección contra estas transitorias internas. Os gradientes de tensión resultantes entre capas e espiras son proporcionais ao número de espiras e dependen da xeometría da bobina—pódense producir fallos no inicio, medio ou final da bobina, sendo o extremo terminal o máis vulnerable. Adicionar pararrayos no lado de baixa tensión limita eficazmente as sobretensións de transformación directa e inversa.

1.3 Terra separada para os lados de alta e baixa tensión.
Neste enfoque, o pararrayos de alta tensión está terrado independentemente, mentres que o neutro de baixa tensión e o tanque do transformador están unidos e terrados separadamente (sen un pararrayos de baixa tensión).

A investigación mostra que este método aproveita a atenuación da terra para eliminar en gran medida a sobretensión de transformación inversa. Para a transformación directa, os cálculos indican que reducir a resistencia de terra de baixa tensión de 10 Ω a 2.5 Ω pode diminuír a sobretensión no lado de alta tensión en aproximadamente o 40%. Con un tratamento adecuado do sistema de terra de baixa tensión, a sobretensión de transformación directa pode mitigarse eficazmente. Esta solución é simple e económica, aínda que require unha baixa resistencia de terra de baixa tensión, dándolle un valor práctico considerable.

Máis aló das medidas mencionadas, outras inclúen instalar bobinas de equilibrio no núcleo do transformador para suprimir as sobretensións de transformación ou incorporar varistores de óxido metálico (MOVs) dentro do transformador.

2. Aplicación das medidas de protección contra o raio

A análise anterior mostra que cada método de protección ten características distintas. As rexións deberían seleccionar estratexias apropiadas baseándose na intensidade local de tormentas (medida en días de tormenta por ano):

• Zonas con poucos relampos (por exemplo, planicies): O parafúlidos no lado de AT é suficiente por mor das baixas taxas anuais de fallo.
• Zonas con nivel moderado de relampos: Instalar parafúlidos nos lados de AT e BT.
• Zonas con moitos relampos: As medidas individuais adoitan ser insuficientes. Recoméndase unha aproximación completa: parafúlidos de AT cun sistema de posta a terra independente, máis un parafúlidos de BT, neutro de BT e depósito conectados a un sistema de posta a terra separado.
• Zonas de relampos severos (especialmente onde as taxas anuais de fallo seguen sendo altas a pesar das medidas integrais): Tras unha avaliación técnica e económica, considere solucións avanzadas como bobinados equilibradores montados no núcleo (é dicir, transformadores novos resistentes aos relampos) ou parafúlidos de óxido metálico instalados internamente.

3. Conclusión

Os métodos de protección contra relampos para transformadores de distribución varían considerablemente, e as condicións do lugar difiren significativamente segundo as rexións. Ao seleccionar esquemas de protección baseados nas condicións locais, e ao reforzar a xestión operativa, as empresas poden mellorar substancialmente a resistencia aos relampos e a fiabilidade dos transformadores de distribución.