Protección del transformador de puesta a tierra: Causas de mal funcionamiento y medidas correctivas en subestaciones de 110kV

En el sistema eléctrico de China, las redes de 6 kV, 10 kV y 35 kV generalmente adoptan un modo de operación con punto neutro no conectado a tierra. El lado de voltaje de distribución del transformador principal en la red suele estar conectado en configuración delta, lo que no proporciona un punto neutro para conectar una resistencia de puesta a tierra. 

Cuando ocurre una falla de tierra monofásica en un sistema con punto neutro no conectado a tierra, el triángulo de voltaje entre líneas permanece simétrico, causando un impacto mínimo en las operaciones del usuario. Además, cuando la corriente capacitiva es relativamente pequeña (menos de 10 A), algunas fallas transitorias de tierra pueden extinguirse por sí solas, lo cual es muy efectivo para mejorar la confiabilidad del suministro eléctrico y reducir los incidentes de apagones.

Sin embargo, con la continua expansión y desarrollo de la industria eléctrica, este método simple ya no satisface las demandas actuales. En las redes urbanas modernas, el uso creciente de circuitos por cable ha provocado corrientes capacitivas significativamente mayores (superiores a 10 A). Bajo tales condiciones, el arco de tierra no puede extinguirse de forma confiable, lo que resulta en las siguientes consecuencias:

• La extinción intermitente y reignición del arco de tierra monofásico genera sobretensiones por arco-tierra con amplitudes que alcanzan hasta 4U (donde U es el voltaje de fase pico) o incluso superiores, que duran períodos prolongados. Esto representa amenazas graves para el aislamiento de los equipos eléctricos, posiblemente causando rupturas en puntos débiles del aislamiento y provocando grandes pérdidas.

• El arco sostenido provoca ionización del aire, degradando el aislamiento del aire circundante y haciendo más probable un cortocircuito entre fases.

• Pueden ocurrir sobretensiones por ferroresonancia, dañando fácilmente los transformadores de potencial (TP) y los pararrayos, y en casos graves, incluso causar explosiones de los pararrayos. Estas consecuencias ponen seriamente en peligro el aislamiento de los equipos de la red y amenazan la operación segura del sistema eléctrico.

Para prevenir los accidentes anteriores y proporcionar suficiente corriente y voltaje de secuencia cero para el funcionamiento confiable de la protección contra fallas de tierra, debe crearse un punto neutro artificial para poder conectar una resistencia de puesta a tierra. Para abordar esta necesidad, se desarrollaron los transformadores de puesta a tierra (comúnmente denominados "unidades de puesta a tierra"). Un transformador de puesta a tierra crea artificialmente un punto neutro con una resistencia de puesta a tierra, típicamente con un valor de resistencia muy bajo (generalmente inferior a 5 ohmios).

Además, debido a sus características electromagnéticas, el transformador de puesta a tierra presenta alta impedancia frente a las corrientes de secuencia positiva y negativa, permitiendo que solo fluya una pequeña corriente de excitación a través de sus devanados. En cada rama del núcleo, dos secciones del devanado están enrolladas en direcciones opuestas. Cuando corrientes de secuencia cero iguales fluyen a través de estos devanados en la misma rama del núcleo, presentan baja impedancia, resultando en una caída de voltaje mínima a través de los devanados bajo condiciones de secuencia cero.

Durante una falla de tierra, fluyen corrientes de secuencia positiva, negativa y cero a través de los devanados. El devanado presenta alta impedancia frente a las corrientes de secuencia positiva y negativa, pero para la corriente de secuencia cero, los dos devanados en la misma fase están conectados en serie con polaridad opuesta. Sus fuerzas electromotrices inducidas son iguales en magnitud pero opuestas en dirección, cancelándose efectivamente entre sí, presentando así baja impedancia.

En muchas aplicaciones, los transformadores de puesta a tierra se utilizan únicamente para proporcionar un punto neutro con una pequeña resistencia de puesta a tierra y no alimentan ninguna carga; por lo tanto, muchos transformadores de puesta a tierra están diseñados sin devanado secundario. Durante el funcionamiento normal de la red, el transformador de puesta a tierra opera esencialmente en condición de vacío. Sin embargo, durante una falla, conduce la corriente de falla solo durante un breve período de tiempo. 

En un sistema con punto neutro conectado a tierra mediante baja resistencia, cuando ocurre una falla de tierra monofásica, la protección sensible de secuencia cero identifica rápidamente y aísla temporalmente el alimentador defectuoso. El transformador de puesta a tierra está activo solo durante el breve intervalo entre la ocurrencia de la falla de tierra y la operación de la protección de secuencia cero para eliminar la falla. Durante este tiempo, la corriente de secuencia cero fluye a través de la resistencia de puesta a tierra del neutro y del transformador de puesta a tierra, dada por

donde U es el voltaje de fase del sistema, R1 es la resistencia de puesta a tierra del neutro, y R2 es la resistencia adicional en el bucle de falla a tierra.

Basado en el análisis anterior, las características operativas de los transformadores de puesta a tierra son: operación prolongada en vacío con capacidad de sobrecarga a corto plazo.

En resumen, un transformador de puesta a tierra crea artificialmente un punto neutro para conectar una resistencia de puesta a tierra. Durante una falla de tierra, presenta alta impedancia frente a las corrientes de secuencia positiva y negativa, pero baja impedancia frente a la corriente de secuencia cero, permitiendo el funcionamiento confiable de la protección contra fallas de tierra.

Actualmente, los transformadores de puesta a tierra instalados en subestaciones cumplen dos propósitos:

• Suministrar energía de CA de bajo voltaje para uso auxiliar en la subestación;

• Crear un punto neutro artificial en el lado de 10 kV, que —cuando se combina con una bobina de supresión de arco— compensa la corriente capacitiva de falla a tierra durante fallas monofásicas a tierra de 10 kV, extinguiendo así el arco en el punto de falla. El principio es el siguiente:

A lo largo de toda la longitud de las líneas de transmisión en una red trifásica, existen capacitancias entre fases y entre cada fase y tierra. Cuando el neutro de la red no está sólidamente conectado a tierra, la capacitancia fase-tierra de la fase defectuosa se vuelve cero durante una falla de tierra monofásica, mientras que los voltajes fase-tierra de las otras dos fases aumentan hasta √3 veces el voltaje de fase normal. Aunque este voltaje incrementado no excede la resistencia dieléctrica diseñada para seguridad, aumenta su capacitancia fase-tierra. 

La corriente de falla a tierra capacitiva durante una falla monofásica es aproximadamente tres veces la corriente capacitiva normal por fase. Cuando esta corriente es grande, provoca fácilmente arcos intermitentes, lo que lleva a sobretensiones en el circuito resonante LC formado por la inductancia y la capacitancia de la red, con magnitudes que alcanzan 2.5 a 3 veces la tensión de fase. Cuanto mayor sea la tensión de la red, mayor será el riesgo de tales sobretensiones. Por lo tanto, solo los sistemas por debajo de 60 kV pueden operar con un neutro no conectado a tierra, ya que sus corrientes de falla a tierra capacitivas monofásicas son relativamente pequeñas. Para niveles de voltaje más altos, se debe utilizar un transformador de conexión a tierra para conectar el punto neutro a través de impedancia a tierra.

Cuando el lado de 10 kV del transformador principal de una subestación está conectado en delta o estrella sin un punto neutro, y la corriente de falla a tierra capacitiva monofásica es grande, se requiere un transformador de conexión a tierra para crear un punto neutro artificial, permitiendo la conexión a una bobina de supresión de arcos. Esto forma un sistema de conexión a tierra neutra artificial—la función principal del transformador de conexión a tierra. Durante la operación normal, el transformador de conexión a tierra soporta una tensión de red equilibrada y solo lleva una pequeña corriente de excitación (condición sin carga).

La diferencia de potencial entre el neutro y la tierra es cero (ignorando la ligera tensión de desplazamiento del neutro de la bobina de supresión de arcos), y no fluye corriente a través de la bobina de supresión de arcos. Suponiendo que ocurre un cortocircuito de fase C a tierra, la tensión secuencial cero resultante de la asimetría trifásica fluye a través de la bobina de supresión de arcos a tierra. Al igual que la propia bobina de supresión de arcos, la corriente inductiva inducida compensa la corriente de falla a tierra capacitiva, eliminando el arco en el punto de falla.

En los últimos años, han ocurrido múltiples malas operaciones de la protección del transformador de conexión a tierra en subestaciones de 110 kV en una cierta región, afectando severamente la estabilidad de la red. Para identificar las causas raíces, se realizaron análisis sobre las razones de estas malas operaciones, e implementaron medidas correspondientes para prevenir su repetición y proporcionar referencia para otras regiones.

Actualmente, los alimentadores de 10 kV en subestaciones de 110 kV utilizan cada vez más líneas de salida de cable, aumentando significativamente la corriente de falla a tierra capacitiva monofásica en el sistema de 10 kV. Para suprimir las magnitudes de sobretensión durante fallas a tierra monofásicas, las subestaciones de 110 kV han comenzado a instalar transformadores de conexión a tierra para implementar un esquema de conexión a tierra de baja resistencia, estableciendo una ruta de corriente secuencial cero. Esto permite la protección secuencial cero selectiva para aislar fallas a tierra según la ubicación de la falla, previniendo la reactivación de arcos y sobretensiones, asegurando así un suministro de energía seguro al equipo de la red.

A partir de 2008, una cierta red regional remodeló sus sistemas de 10 kV en subestaciones de 110 kV a conexión a tierra de baja resistencia mediante la instalación de transformadores de conexión a tierra y dispositivos de protección asociados. Esto permitió el aislamiento rápido de cualquier falla a tierra en los alimentadores de 10 kV, minimizando el impacto en la red. Sin embargo, recientemente, cinco subestaciones de 110 kV en la región experimentaron malas operaciones repetitivas de la protección del transformador de conexión a tierra, causando apagones de subestación y perturbando severamente la estabilidad de la red. Por lo tanto, identificar las causas e implementar medidas correctivas es esencial para mantener la seguridad de la red regional.

1.Análisis de las causas de la mala operación de la protección del transformador de conexión a tierra

Cuando un alimentador de 10 kV experimenta una falla de cortocircuito a tierra, la protección secuencial cero en el alimentador defectuoso de la subestación de 110 kV debería actuar primero para aislar la falla. Si no lo hace correctamente, la protección secuencial cero del transformador de conexión a tierra actuará como respaldo, accionando el interruptor de la barra de acoplamiento y ambos lados del transformador principal para aislar la falla. Por lo tanto, la correcta operación de la protección y los interruptores de los alimentadores de 10 kV es crucial para la seguridad de la red. El análisis estadístico de las malas operaciones en cinco subestaciones de 110 kV muestra que la causa principal es la incapacidad de los alimentadores de 10 kV para aislar correctamente las fallas a tierra.

Principio de la protección secuencial cero de los alimentadores de 10 kV:

Muestreo de CT secuencial cero → Activación de la protección del alimentador → Accionamiento del interruptor.
A partir de este principio, el CT secuencial cero, el relé de protección del alimentador y el interruptor son componentes clave para la correcta operación. A continuación, se analizan las causas de las malas operaciones desde estos aspectos:

1.1 Error de CT secuencial cero causando mala operación de la protección del transformador de conexión a tierra.
Durante una falla a tierra en un alimentador de 10 kV, el CT secuencial cero del alimentador defectuoso detecta la corriente de falla, activando su protección para aislar la falla. Simultáneamente, el CT secuencial cero del transformador de conexión a tierra también siente la corriente de falla e inicia la protección. Para asegurar la selectividad, la protección secuencial cero del alimentador de 10 kV se configura con corrientes más bajas y tiempos más cortos que la protección del transformador de conexión a tierra. Configuración de corrientes: transformador de conexión a tierra—75 A primario, 1.5 s para accionar el interruptor de la barra de acoplamiento, 1.8 s para bloquear la transferencia automática de 10 kV, 2.0 s para accionar el lado de baja tensión del transformador, 2.5 s para accionar ambos lados; alimentador de 10 kV—60 A primario, 1.0 s para accionar el interruptor.

Sin embargo, los errores de CT son inevitables. Si el CT del transformador de conexión a tierra tiene un error de -10% y el CT del alimentador tiene un error de +10%, las corrientes de operación reales se convierten en 67.5 A y 66 A—casi iguales. Dependiendo solo de la gradación de tiempo, una falla a tierra en un alimentador de 10 kV podría causar fácilmente que la protección de sobrecorriente secuencial cero del transformador de conexión a tierra accione prematuramente.

1.2 Mal aterramiento del escudo del cable causando mala operación.
Los alimentadores de 10 kV en subestaciones de 110 kV utilizan cables blindados con escudos aterrizados en ambos extremos—una práctica común para mitigar EMI. Los CT secuenciales cero son de tipo toroidal instalados alrededor de los cables en los terminales de salida de los armarios de interruptores. Durante las fallas a tierra, las corrientes desequilibradas inducen señales en el CT para activar la protección. Sin embargo, con el aterramiento de ambos extremos, las corrientes inducidas en el escudo también pasan a través del CT secuencial cero, creando señales falsas. Sin una mitigación adecuada, esto deteriora la precisión de la protección secuencial cero del alimentador, provocando el accionamiento de respaldo del transformador de conexión a tierra.

1.3 Fallo de la protección del alimentador de 10 kV causando mala operación.

Los relés basados en microprocesadores modernos ofrecen un rendimiento mejorado, pero persisten problemas de calidad variada de fabricantes y mala disipación de calor. Las estadísticas de fallas muestran que los módulos de alimentación, las placas de muestreo, las placas CPU y los módulos de salida de accionamiento en las protecciones de los alimentadores de 10 kV son los más propensos a fallar. Las fallas no detectadas pueden causar la negativa de la protección, desencadenando la mala operación del transformador de conexión a tierra.

1.4 Fallo del interruptor de alimentación de 10 kV causando una operación incorrecta.
Con el envejecimiento, las operaciones frecuentes o los problemas de calidad inherentes, los fallos en los equipos de conmutación de 10 kV, especialmente en los circuitos de control, están aumentando. En áreas montañosas menos desarrolladas, los armarios GG-1A más antiguos siguen en servicio con tasas de fallas a tierra más altas. Incluso si la protección de secuencia cero opera correctamente, el fallo del interruptor (por ejemplo, un bobinado de desencadenamiento quemado que impide la operación) lleva a una operación incorrecta del transformador de puesta a tierra.

1.5 Fallas de alta impedancia en dos alimentadores de 10 kV (o una sola falla de alta impedancia severa) causando una operación incorrecta.
Cuando dos alimentadores experimentan fallas de alta impedancia en la misma fase, las corrientes de secuencia cero individuales pueden permanecer por debajo del umbral de disparo de 60 A (por ejemplo, 40 A y 50 A), por lo que las protecciones de los alimentadores solo generan alarmas. Pero la corriente sumada (90 A) supera la configuración de 75 A del transformador de puesta a tierra, causando un disparo prematuro. Con alimentadores de 10 kV totalmente de cable, las corrientes capacitivas normales pueden alcanzar 12–15 A. Incluso una sola falla de alta impedancia severa (por ejemplo, 58 A) más la corriente capacitiva normal se acerca a 75 A. Las oscilaciones del sistema podrían entonces desencadenar fácilmente una operación incorrecta del transformador de puesta a tierra.

2.Medidas para prevenir la operación incorrecta de la protección del transformador de puesta a tierra

Basándose en el análisis anterior, se recomiendan las siguientes medidas:

2.1 Para prevenir la operación incorrecta inducida por error de CT
Usar CTs de secuencia cero de alta calidad; probar rigurosamente las características de los CT antes de la instalación y rechazar cualquier CT con un error >5%; establecer valores de captura de protección basados en la corriente primaria; verificar las configuraciones mediante pruebas de inyección primaria.

2.2 Para prevenir una conexión a tierra incorrecta del escudo del cable

• Los conductores de conexión a tierra del escudo del cable deben pasar hacia abajo a través del CT de secuencia cero y estar aislados de los soportes de cable. No debe haber contacto con tierra antes de pasar a través del CT. Exponer los extremos metálicos para las pruebas de inyección primaria; aislar el resto de manera confiable.

• Si el punto de conexión a tierra del escudo está por debajo del CT, el conductor no debe pasar a través del CT. Evitar enrutar el conductor de conexión a tierra del escudo a través del centro del CT.

• Fortalecer la formación técnica para que los equipos de protección por relés y cables comprendan completamente los métodos de instalación de CT y conexión a tierra del escudo.

• Reforzar los procedimientos de aceptación con inspecciones conjuntas por parte de los equipos de relés, operaciones y cables.

2.3 Para prevenir el fallo de la protección del alimentador
Seleccionar dispositivos de protección probados y confiables; reemplazar unidades envejecidas o con fallos frecuentes; mejorar el mantenimiento; instalar aire acondicionado y ventilación para evitar la operación a altas temperaturas.

2.4 Para prevenir el fallo del interruptor del alimentador
Usar equipos de conmutación confiables y maduros; eliminar los armarios GG-1A antiguos a favor de tipos sellados, de carga de resorte o de motor; mantener los circuitos de control; usar bobinados de desencadenamiento de alta calidad.

2.5 Para prevenir la operación incorrecta por falla de alta impedancia
Patrullar e reparar inmediatamente los alimentadores ante la alarma de secuencia cero; reducir las longitudes de los alimentadores; equilibrar las cargas de fase para minimizar las corrientes capacitivas normales.

3. Conclusión

A medida que más redes regionales instalan transformadores de puesta a tierra y protecciones asociadas para mejorar su estructura y estabilidad, los incidentes recurrentes de operación incorrecta destacan la necesidad de abordar los efectos adversos. Este documento analiza las causas principales de la operación incorrecta de la protección del transformador de puesta a tierra y propone medidas correctivas, proporcionando orientación para las regiones que han instalado o planean instalar tales sistemas.