Protecció del transformador de terra: Causes de malfuncionament i mesures correctores en subestacions de 110kV

En el sistema elèctric de la Xina, les xarxes de 6 kV, 10 kV i 35 kV generalment adopten un mode d'operació amb punt neutre no connectat a terra. El costat de distribució de tensió del transformador principal de la xarxa sol estar connectat en configuració delta, que no proporciona cap punt neutre per connectar una resistència de terra.

Quan es produeix un defecte de terra monofàsic en un sistema amb punt neutre no connectat a terra, el triangle de tensions entre fases roman simètric, causant un impacte mínim en les operacions dels usuaris. A més, quan la corrent capacitiva és relativament petita (menys de 10 A), alguns defectes de terra transitoris poden extinguir-se per si sols, el que és altament efectiu per millorar la fiabilitat del subministrament elèctric i reduir els incidents de tall de corrent.

No obstant això, amb l'expansió i desenvolupament continu de la indústria elèctrica, aquest mètode simple ja no compleix les necessitats actuals. En les xarxes elèctriques urbanes modernes, l'ús creixent de circuits de cable ha conduït a corrents capacitives significativament més grans (que superen els 10 A). En aquestes condicions, l'arc de terra no pot ser extingit de manera fiable, resultant en les següents conseqüències:

• L'extinció intermitent i la rellamada de l'arc de terra monofàsic generen sobretensions d'arc-terra amb amplituds que arriben a 4U (on U és la tensió màxima de fase) o encara més, durant períodes prolongats. Això suposa una amenaça greu per a l'aïllament dels equips elèctrics, podent provocar ruptures en punts d'aïllament feble i conduir a pèrdues majors.

• L'arc sostenut causa l'ionització de l'aire, degradant l'aïllament de l'aire circumdant i augmentant la probabilitat de curtes circuits entre fases.

• Poden produir-se sobretensions ferroresonants, que poden enderrocar fàcilment els transformadors de tensió (PTs) i els pararracades, i en casos greus, fins i tot causar explosions de pararracades. Aquestes conseqüències amenaçen gravement l'aïllament dels equips de la xarxa i comprometen la seguretat de l'operació del sistema elèctric.

Per prevenir els accidents anteriors i proporcionar corrent i tensió de seqüència zero suficients per al funcionament fiable de la protecció contra defectes de terra, cal crear un punt neutre artificial per tal de poder connectar-hi una resistència de terra. Per atendre aquesta necessitat, es van desenvolupar els transformadors de terra (comunament anomenats "unitats de terra"). Un transformador de terra crea artificialment un punt neutre amb una resistència de terra, normalment amb un valor de resistència molt baix (generalment inferior a 5 ohms).

A més, degut a les seves característiques electromagnètiques, el transformador de terra presenta una impedància alta a les corrents de seqüència positiva i negativa, permetent que només una petita corrent d'excitació passi a través de les seves bobines. En cada llamborda del nucli, hi ha dues seccions de bobina enrotllades en direccions oposades. Quan corrents de seqüència zero iguals flueixen a través d'aquestes bobines en la mateixa llamborda del nucli, presenten una impedància baixa, resultant en una caiguda de tensió mínima a través de les bobines en condicions de seqüència zero.

Durant un defecte de terra, les corrents de seqüència positiva, negativa i zero flueixen a través de les bobines. La bobina presenta una impedància alta a les corrents de seqüència positiva i negativa, però per a la corrent de seqüència zero, les dues bobines en la mateixa fase estan connectades en sèrie amb polaritats oposades. Les seves forces electromotrius induïdes són iguals en magnitud però oposades en direcció, cancel·lant-se efectivament, presentant així una impedància baixa.

En moltes aplicacions, els transformadors de terra s'utilitzen únicament per proporcionar un punt neutre amb una petita resistència de terra i no subministren cap càrrega; per tant, molts transformadors de terra estan dissenyats sense bobina secundària. Durant l'operació normal de la xarxa, el transformador de terra opera essencialment en condició de no càrrega. No obstant això, durant un defecte, porta corrent de defecte només durant un curt període.

En un sistema amb punt neutre connectat a terra amb baixa resistència, quan es produeix un defecte de terra monofàsic, la protecció de seqüència zero altament sensible identifica ràpidament i aïlla temporalment el ramal defectuós. El transformador de terra només està actiu durant el breu interval entre la producció del defecte de terra i l'operació de la protecció de seqüència zero per eliminar el defecte. Durant aquest temps, la corrent de seqüència zero flueix a través de la resistència de terra neutral i el transformador de terra, donada per

on U és la tensió de fase del sistema, R1 és la resistència de terra neutral, i R2 és la resistència addicional en el circuit de defecte de terra.

Basant-nos en l'anàlisi anterior, les característiques operatives dels transformadors de terra són: operació a llarg termini sense càrrega amb capacitat de sobrecàrrega a curt termini.

En resum, un transformador de terra crea artificialment un punt neutre per connectar una resistència de terra. Durante un defecte de terra, presenta una impedància alta a les corrents de seqüència positiva i negativa, però una impedància baixa a la corrent de seqüència zero, permetent el funcionament fiable de la protecció contra defectes de terra.

Actualment, els transformadors de terra instal·lats en subestacions serveixen dos propòsits:

• Subministrar energia elèctrica AC de baixa tensió per a l'ús auxiliar de la subestació;

• Crear un punt neutre artificial al costat de 10 kV, que, en combinació amb una bobina de supressió d'arc, compensa la corrent de defecte de terra capacitiva durant defectes de terra monofàsics de 10 kV, així extinguint l'arc al punt de defecte. El principi és el següent:

Al llarg de tota la longitud de les línies de transmissió en una xarxa elèctrica trifàsica, existeixen capacitances entre fases i entre cada fase i terra. Quan el neutre de la xarxa no està solidament connectat a terra, la capacitància fase-terra de la fase defectuosa es converteix en zero durant un defecte de terra monofàsic, mentre que les tensions fase-terra de les altres dues fases augmenten a √3 vegades la tensió de fase normal. Tot i que aquest augment de tensió no supera la resistència aïllant dissenyada per a la seguretat, augmenta la seva capacitància fase-terra.

La corrent de falleda a terra capacitiva durant un defecte monofàsic és aproximadament tres cops la corrent capacitiva normal per fase. Quan aquesta corrent és gran, provoca fàcilment arcs intermitents, que condueixen a sobretensions al circuit resonant LC format per l'inductància i la capacitància de la xarxa, amb magnituds que assolen 2,5 a 3 vegades el voltatge de fase. Quan més alt sigui el voltatge de la xarxa, més gran serà el risc d'aquestes sobretensions. Per tant, només els sistemes inferiors als 60 kV poden funcionar amb una neutra no connectada, ja que les seves corrents de falleda a terra capacitiva monofàsica són relativament petites. Per a nivells de tensió superiors, s'ha de fer servir un transformador de terra per connectar el punt neutre a través d'una impedància a terra.

Quan el costat de 10 kV d'un transformador principal de subestació està connectat en delta o estrella sense punt neutre, i la corrent de falleda a terra capacitiva monofàsica és gran, es necessita un transformador de terra per crear un punt neutre artificial, permetent la connexió a una bobina de supressió d'arcs. Això forma un sistema de terra neutra artificial—la funció principal del transformador de terra. Durant el funcionament normal, el transformador de terra suporta un voltatge equilibrat de la xarxa i porta només una petita corrent d'excitació (condició sense càrrega).

La diferència de potencial entre la neutra i la terra és zero (ignorant la petita desplaçament de la neutra degut a la bobina de supressió d'arcs), i no hi ha corrent que passi a través de la bobina de supressió d'arcs. Suposant que es produeixi un curtcircuït de fase C a terra, el voltatge de seqüència zero resultant de l'asimetria trifàsica passa a través de la bobina de supressió d'arcs a terra. Com la pròpia bobina de supressió d'arcs, la corrent inductiva induïda compensa la corrent de falleda a terra capacitiva, eliminant l'arc al punt de defecte.

En els darrers anys, han ocorregut múltiples malfuncionaments de la protecció del transformador de terra en subestacions de 110 kV en una certa regió, afectant greument la estabilitat de la xarxa. Per identificar les causes radicals, s'han realitzat anàlisis sobre les raons d'aquests malfuncionaments, i s'han implementat mesures corresponents per prevenir la recurrència i proporcionar referència per a altres regions.

Actualment, els alimentadors de 10 kV en les subestacions de 110 kV utilitzen cada cop més cables de sortida, augmentant significativament la corrent de falleda a terra capacitiva monofàsica en el sistema de 10 kV. Per suprimir la magnitud de les sobretensions durant els defectes a terra monofàsics, les subestacions de 110 kV han començat a instal·lar transformadors de terra per implementar un esquema de terra de baixa resistència, establint un camí de corrent de seqüència zero. Això permet que la protecció de seqüència zero selectiva aïlli els defectes a terra basant-se en la ubicació del defecte, evitant la reactivació de l'arc i la sobretensió, assegurant així un subministrament segur d'energia a l'equipament de la xarxa.

A partir de 2008, una certa xarxa regional va renovar els sistemes de 10 kV de les subestacions de 110 kV a terra de baixa resistència instal·lant transformadors de terra i dispositius de protecció associats. Això va permetre l'aïllament ràpid de qualsevol defecte a terra en els alimentadors de 10 kV, minimitzant l'impacte a la xarxa. No obstant això, recentment, cinc subestacions de 110 kV en la regió han experimentat repetits malfuncionaments de la protecció del transformador de terra, causant apagades de subestacions i afectant greument la estabilitat de la xarxa. Per tant, identificar les causes i implementar mesures correctives és essencial per mantenir la seguretat de la xarxa regional.

1.Anàlisi de les causes dels malfuncionaments de la protecció del transformador de terra

Quan un alimentador de 10 kV experimenta un defecte de curtcircuït a terra, la protecció de seqüència zero del alimentador defectuós a la subestació de 110 kV hauria de funcionar primer per aïllar el defecte. Si no ho fa correctament, la protecció de seqüència zero del transformador de terra actuarà com a backup, activant el disjuntor de barra i els dos costats del transformador principal per aïllar el defecte. Així, el funcionament correcte de la protecció i els disjuntores dels alimentadors de 10 kV és crític per a la seguretat de la xarxa. L'anàlisi estadística dels malfuncionaments en cinc subestacions de 110 kV mostra que la causa principal és el fracàs dels alimentadors de 10 kV per aïllar correctament els defectes a terra.

Principi de la protecció de seqüència zero dels alimentadors de 10 kV:

Mostreig CT de seqüència zero → Activació de la protecció del alimentador → Acció del disjuntor.
A partir d'aquest principi, el CT de seqüència zero, el relé de protecció del alimentador i el disjuntor són components clau per al funcionament correcte. El següent analitza les causes de malfuncionament des d'aquests aspectes:

1.1 Error del CT de seqüència zero que provoca el malfuncionament de la protecció del transformador de terra.
Durant un defecte a terra en un alimentador de 10 kV, el CT de seqüència zero del alimentador defectuós detecta la corrent de defecte, activant la seva protecció per aïllar el defecte. Alhora, el CT de seqüència zero del transformador de terra també detecta la corrent de defecte i inicia la protecció. Per assegurar la selectivitat, la protecció de seqüència zero del alimentador de 10 kV està configurada amb una corrent i temps menor que la protecció del transformador de terra. Configuració de corrents: transformador de terra—75 A primària, 1,5 s per a accionar el disjuntor de barra de 10 kV, 1,8 s per a bloquejar la transferència automàtica de 10 kV, 2,0 s per a accionar el costat de baixa tensió del transformador, 2,5 s per a accionar els dos costats; alimentador de 10 kV—60 A primària, 1,0 s per a accionar el disjuntor.

No obstant això, els errors dels CT són inevitables. Si el CT del transformador de terra té un error de -10% i el CT del alimentador té un error de +10%, les corrents reals d'operació es converteixen en 67,5 A i 66 A—gairebé iguals. Depenent únicament de la graduació temporal, un defecte a terra en un alimentador de 10 kV podria provocar fàcilment que la protecció de sobrecorrent de seqüència zero del transformador de terra actués prematurament.

1.2 Terra incorrecta de la màniga del cable que provoca el malfuncionament.
Els alimentadors de 10 kV de les subestacions de 110 kV utilitzen cables blindats amb màniques a terra en ambdós extrems—una pràctica comuna per mitigar les interferències electromagnètiques. Els CT de seqüència zero són de tipus toroidal instal·lats al voltant dels cables a les terminacions de sortida del quadre de distribució. Durant els defectes a terra, les corrents desequilibrades indueixen senyals al CT per activar la protecció. No obstant això, amb la màniga a terra en ambdós extrems, les corrents induïdes a la màniga també passen a través del CT de seqüència zero, creant senyals falsos. Sense una mitigació adequada, això deteriora la precisió de la protecció de seqüència zero del alimentador, provocant l'acció de backup del transformador de terra.

1.3 Fracàs de la protecció del alimentador de 10 kV que provoca el malfuncionament.

Els relés moderns basats en microprocessadors ofereixen un rendiment millorat, però encara persisteixen problemes com la qualitat variable dels fabricants i la dissipació de calor pobra. Les estadístiques de defectes mostren que els mòduls d'alimentació, les taules de mostreig, les taules de CPU i els mòduls de sortida de trip en les proteccions dels alimentadors de 10 kV són els més propensos a fallar. Els defectes no detectats poden provocar la negativa de la protecció, activant el malfuncionament del transformador de terra.

1.4 Falta del disjuntor de la línia de 10 kV causant una malfunció.
A causa de l'envelliment, les operacions freqüents o els problemes de qualitat inerents, les fallides dels quadres de comutació de 10 kV —especialment en els circuits de control— estan augmentant. En zones muntanyoses menys desenvolupades, els antics quadres GG-1A encara es troben en servei amb un índex més alt de faltes a terra. Encara que la protecció de seqüència zero funcioni correctament, una fallida del disjuntor (per exemple, una bobina de desconnectar cremada que impedeix l'operació) pot provocar una malfunció del transformador de terra.

1.5 Faltes a terra d'alta impedància en dues línies de 10 kV (o una sola falla d'alta impedància severa) causant una malfunció.
Quan dues línies experimenten faltes a terra d'alta impedància en la mateixa fase, les corrents de seqüència zero individuals poden quedar per sota del llindar de disparat de 60 A (per exemple, 40 A i 50 A), de manera que les proteccions de les línies només triguen l'alarma. Tanmateix, la corrent sumada (90 A) supera la configuració de 75 A del transformador de terra, provocant un disparat prematur. Amb línies de 10 kV totalment de cable, les corrents capacitatives normals poden arribar a 12–15 A. Fins i tot una única falla d'alta impedància severa (per exemple, 58 A) més la corrent capacitativa normal s'apropa als 75 A. Les oscil·lacions del sistema podrien desencadenar fàcilment una malfunció del transformador de terra.

2.Mesures per prevenir la malfunció de la protecció del transformador de terra

Basant-se en l'anàlisi anterior, es recomana el següent:

2.1 Per prevenir la malfunció induïda per errors del CT
Utilitzeu CT de seqüència zero de alta qualitat; testegeu rigorosament les característiques del CT abans de la instal·lació i rebutjeu qualsevol amb un error superior al 5%; configureu els valors de recollida de la protecció basant-se en la corrent primària; verifiqueu les configuracions mitjançant proves d'injecció primària.

2.2 Per prevenir una connexió a terra incorrecta del blindat del cable

• Els conductors de connexió a terra del blindat del cable han de passar cap avall a través del CT de seqüència zero i haurien de ser aïllats dels trepa-cables. No ha d'haver-hi contacte amb terra abans de passar a través del CT. Exposeu les parts metàl·liques per a les proves d'injecció primària; aïlleu-ne la resta de forma fiable.

• Si el punt de connexió a terra del blindat és per sota del CT, el conductor no ha de passar a través del CT. Eviteu dirigir el conductor de connexió a terra del blindat a través del mig del CT.

• Potencieu la formació tècnica perquè els equips de protecció de relés i cables entenguin completament els mètodes d'instal·lació dels CT i de la connexió a terra del blindat.

• Refòrceu els procediments d'acceptació amb inspeccions conjuntes per part dels equips de relés, operacions i cables.

2.3 Per prevenir la fallida de la protecció de la línia
Seleccioneu dispositius de protecció provats i fiables; substituïu els unitats antigues o que presentin fallides freqüents; refòrceu la mantenedora; installeu aire condicionat i ventilació per evitar l'operació a temperatures elevades.

2.4 Per prevenir la fallida del disjuntor de la línia
Utilitzeu quadres de comutació fiables i madurs; substituïu els antics armaris GG-1A per tipus hermètics, carregats per ressort o motor; mantingueu els circuits de control; utilitzeu bobines de desconnectar de alta qualitat.

2.5 Per prevenir la malfunció per falles d'alta impedància
Patrulleu i repareu les línies immediatament en cas d'alarma de seqüència zero; reduïu la longitud de les línies; equilibreu les càrregues de fase per minimitzar les corrents capacitatives normals.

3. Conclusió

Com més xarxes regionals instal·len transformadors de terra i proteccions associades per millorar l'estructura i la estabilitat, les incidents recurrents de malfunció destaquen la necessitat d'abordar els efectes adversos. Aquest article analitza les causes principals de la malfunció de la protecció del transformador de terra i proposa mesures correctores, proporcionant orientacions per a les regions que han instal·lat o planejen instal·lar aquests sistemes.