Transformador de Aterramento Protexión: Causas de Mala Funcionamento e Medidas Correctivas en Subestacións de 110kV
No sistema eléctrico chinés, as redes de 6 kV, 10 kV e 35 kV xeralmente adoptan un modo de operación con punto neutro non aterrado. O lado de distribución de voltaxe do transformador principal na rede está xeralmente conectado en configuración delta, que non proporciona ningún punto neutro para conectar un resistor de aterramento.
Cando ocorre un fallo de aterramento monofásico nun sistema con punto neutro non aterrado, o triángulo de voltaxes entre liñas permanece simétrico, causando un impacto mínimo nas operacións do usuario. Ademais, cando a corrente capacitiva é relativamente pequena (menor que 10 A), algúns fallos de aterramento transitórios poden extinguirse por si mesmos, o que é moi eficaz para mellorar a fiabilidade do suministro de enerxía e reducir os incidentes de cortes de corrente.
No entanto, coa expansión e desenvolvemento continuos da industria eléctrica, este método simple xa non atende ás demandas actuais. Nas redes eléctricas urbanas modernas, o uso crecente de circuitos de cable levou a correntes capacitivas significativamente maiores (superiores a 10 A). Baixas condicións, o arco de aterramento non pode ser extinguido de maneira fiable, resultando nas seguintes consecuencias:
A extinción intermitente e a reencendido do arco de aterramento monofásico xeran sobretensións de arco-aterramento con amplitudes que alcanzan ata 4U (onde U é o voltaxe de pico da fase) ou incluso máis, durando por períodos prolongados. Isto supón graves ameacas para o aislamento do equipamento eléctrico, podendo provocar roturas nos puntos de aislamento débiles e levar a perdas importantes.
O arco sostenido causa ionización do aire, degradando o aislamento do aire circundante e facendo máis probables os curtos circuitos entre fases.
Poden ocorrer sobretensións de ferroresonancia, danificando facilmente transformadores de potencial (PTs) e pararrayos, e en casos graves, incluso provocando explosións de pararrayos. Estas consecuencias ponen en serio peligro o aislamento do equipamento da rede e amenazan a operación segura do sistema eléctrico.
Para evitar os accidentes anteriores e proporcionar suficiente corrente e voltaxe de secuencia cero para a operación fiable da protección contra fallos de aterramento, debe crear un punto neutro artificial para poder conectar un resistor de aterramento. Para abordar esta necesidade, foron desenvolvidos os transformadores de aterramento (comunmente denominados "unidades de aterramento"). Un transformador de aterramento crea artificialmente un punto neutro con un resistor de aterramento, xeralmente con un valor de resistencia moi baixo (normalmente inferior a 5 ohmios).
Ademais, debido ás súas características electromagnéticas, o transformador de aterramento presenta alta impedancia para as correntes de secuencia positiva e negativa, permitindo que só flua unha pequena corrente de excitación a través das súas bobinas. En cada rama do núcleo, hai dúas seccións de bobina enrolladas en direccións opostas. Cando fluír correntes de secuencia cero iguais a través destas bobinas no mesmo ramo do núcleo, presentan baixa impedancia, resultando en unha caída de tensión mínima a través das bobinas en condicións de secuencia cero.
Durante un fallo de aterramento, as correntes de secuencia positiva, negativa e cero fluín a través das bobinas. A bobina presenta alta impedancia para as correntes de secuencia positiva e negativa, pero para a corrente de secuencia cero, as dúas bobinas na mesma fase están conectadas en serie con polaridade oposta. As súas forzas electromotrices inducidas son iguais en magnitude pero opostas en dirección, cancelándose efectivamente, polo que presentan baixa impedancia.
En moitas aplicacións, os transformadores de aterramento úsanse só para proporcionar un punto neutro con un resistor de aterramento pequeno e non fornecen carga; polo tanto, moitos transformadores de aterramento están deseñados sen una bobina secundaria. Durante a operación normal da rede, o transformador de aterramento opera esencialmente en condicións de ausencia de carga. No entanto, durante un fallo, soporta a corrente de fallo só por un período breve.
Nun sistema de aterramento de resistencia baixa no punto neutro, cando ocorre un fallo de aterramento monofásico, a protección de secuencia cero altamente sensible identifica e isola temporalmente rapidamente o alimentador defectuoso. O transformador de aterramento está activo só durante o breve intervalo entre a ocorrencia do fallo de aterramento e a operación da protección de secuencia cero para eliminar o fallo. Durante este tempo, a corrente de secuencia cero fluye a través do resistor de aterramento neutro e o transformador de aterramento, dada por
onde U é o voltaxe de fase do sistema, R1 é o resistor de aterramento neutro e R2 é a resistencia adicional no bucle de fallo de aterramento.
Baseándose no anterior análise, as características operativas dos transformadores de aterramento son: operación a longo prazo sen carga con capacidade de sobrecarga a curto prazo.
En resumo, un transformador de aterramento crea artificialmente un punto neutro para conectar un resistor de aterramento. Durante un fallo de aterramento, presenta alta impedancia para as correntes de secuencia positiva e negativa, pero baixa impedancia para a corrente de secuencia cero, permitindo a operación fiable da protección contra fallos de aterramento.
Actualmente, os transformadores de aterramento instalados nas subestacións serven dous propósitos:
Suministrar enerxía AC de baixa tensión para uso auxiliar na subestación;
Crear un punto neutro artificial no lado de 10 kV, que, combinado con unha bobina de supresión de arcos, compensa a corrente de fallo de aterramento capacitiva durante fallos de aterramento monofásicos de 10 kV, extinguindo así o arco no punto de fallo. O principio é o seguinte:
Ao longo de toda a lonxitude das liñas de transmisión nunha rede eléctrica trifásica, existen capacitancias entre fases e entre cada fase e o terreo. Cando o neutral da rede non está solidamente aterrado, a capacitancia fase-terreo da fase defectuosa tornase cero durante un fallo de aterramento monofásico, mentres que os voltaxes fase-terreo das outras dúas fases aumentan a √3 veces o voltaxe de fase normal. Aínda que este aumento de voltaxe non supere a resistencia de aislamento deseñada para a seguridade, aumenta a súa capacitancia fase-terreo.
A corrente de falso contacto capacitiva durante unha falla monofásica é aproximadamente tres veces a corrente capacitiva normal por fase. Cando esta corrente é grande, provoca facilmente arcos intermitentes, o que leva a sobrexuntos no circuito resonante LC formado pola inductancia e capacitancia da rede, con magnitudes que alcanzan 2,5 a 3 veces a tensión de fase. O maior a tensión da rede, o maior o risco por eses sobrexuntos. Polo tanto, só os sistemas por debaixo dos 60 kV poden operar con un neutro non conectado a terra, xa que as súas correntes de falso contacto capacitivo monofásico son relativamente pequenas. Para niveis de tensión máis altos, debe usarse un transformador de conexión a terra para conectar o punto neutro a través de impedancia a terra.
Cando o lado de 10 kV dun transformador principal de subestación está conectado en triángulo ou estrela sen punto neutro, e a corrente de falso contacto capacitivo monofásico é grande, é necesario un transformador de conexión a terra para crear un punto neutro artificial, permitindo a conexión a unha bobina de supresión de arcos. Isto forma un sistema de conexión a terra neutra artificial—que é a función principal do transformador de conexión a terra. Durante a operación normal, o transformador de conexión a terra soporta a tensión equilibrada da rede e só transporta unha pequena corrente de excitación (condición sen carga).
A diferenza de potencial entre o neutro e a terra é cero (ignorando a pequena tensión de desprazamento do neutro da bobina de supresión de arcos), e non fluye corrente a través da bobina de supresión de arcos. Supoñendo que ocorre un curto-circuíto entre a fase C e a terra, a tensión de secuencia cero resultante da asimetría trifásica fluye a través da bobina de supresión de arcos a terra. Como a propia bobina de supresión de arcos, a corrente indutiva inducida compensa a corrente de falso contacto capacitivo, eliminando o arco no punto de falla.
Nos últimos anos, múltiples malfuncionamentos da protección do transformador de conexión a terra ocorreron en subestações de 110 kV nunha certa rexión, afectando gravemente a estabilidade da rede. Para identificar as causas raíz, realizáronse análise das razóns destes malfuncionamentos, e implementáronse medidas correspondentes para prevenir a recorrencia e proporcionar referencia para outras rexións.
Actualmente, as alimentadoras de 10 kV nas subestações de 110 kV están a usar cada vez máis liñas de saída de cable, aumentando significativamente a corrente de falso contacto capacitivo monofásico no sistema de 10 kV. Para suprimir as magnitudes de sobrexunto durante falsos contactos monofásicos, as subestações de 110 kV empezaron a instalar transformadores de conexión a terra para implementar un esquema de conexión a terra de baixa resistencia, establecendo unha ruta de corrente de secuencia cero. Isto permite a protección selectiva de secuencia cero aislar falsos contactos baseándose na localización da falla, evitando a reencendido de arcos e sobrexuntos, asegurando así o suministro seguro de enerxía ao equipo da rede.
A partir de 2008, unha certa rede regional remodelou os sistemas de 10 kV das súas subestações de 110 kV a conexión a terra de baixa resistencia instalando transformadores de conexión a terra e dispositivos de protección asociados. Isto permitiu a aislamento rápido de calquera falso contacto das alimentadoras de 10 kV, minimizando o impacto na rede. No entanto, recentemente, cinco subestações de 110 kV na rexión experimentaron repetidos malfuncionamentos da protección do transformador de conexión a terra, causando cortes de subestación e perturbando gravemente a estabilidade da rede. Polo tanto, é esencial identificar as causas e implementar medidas correctivas para manter a seguridade da rede regional.
1. Análise das causas do malfuncionamento da protección do transformador de conexión a terra
Cando unha alimentadora de 10 kV experimenta un falso contacto a terra, a protección de secuencia cero na alimentadora defectuosa na subestación de 110 kV debería actuar primeiro para aislar a falla. Se non o fai correctamente, a protección de secuencia cero do transformador de conexión a terra actuará como respaldo, accionando o interruptor de barramento e ambos os lados do transformador principal para aislar a falla. Así, a correcta operación da protección e interruptores das alimentadoras de 10 kV é crítica para a seguridade da rede. A análise estatística dos malfuncionamentos en cinco subestações de 110 kV mostra que a causa principal é a incapacidade das alimentadoras de 10 kV para aclarar correctamente os falsos contactos a terra.
Principio da protección de secuencia cero das alimentadoras de 10 kV:
Muestreo CT de secuencia cero → Activación da protección da alimentadora → Accionamento do interruptor.
Segundo este principio, o CT de secuencia cero, o relé de protección da alimentadora e o interruptor son componentes clave para a correcta operación. O seguinte analiza as causas de malfuncionamento desde estes aspectos:
1.1 Erro do CT de secuencia cero que causa o malfuncionamento da protección do transformador de conexión a terra.
Durante un falso contacto a terra na alimentadora de 10 kV, o CT de secuencia cero defectuoso detecta a corrente de falla, activando a súa protección para aislar a falla. Simultáneamente, o CT de secuencia cero do transformador de conexión a terra tamén detecta a corrente de falla e inicia a súa protección. Para asegurar a selectividade, a protección de secuencia cero da alimentadora de 10 kV está configurada con corrente e tempo menores que a protección do transformador de conexión a terra. Configuracións de corrente: transformador de conexión a terra—75 A primario, 1,5 s para accionar o interruptor de barramento de 10 kV, 1,8 s para bloquear a transferencia automática de 10 kV, 2,0 s para accionar o lado de baja tensión do transformador, 2,5 s para accionar ambos os lados; alimentadora de 10 kV—60 A primario, 1,0 s para accionar o interruptor.
No entanto, os erros do CT son inevitables. Se o CT do transformador de conexión a terra ten un erro de -10% e o CT da alimentadora ten un erro de +10%, as correntes de operación reais son 67,5 A e 66 A—case iguais. Confiando só na graduación de tempo, un falso contacto a terra na alimentadora de 10 kV pode provocar facilmente que a protección de sobrecorrente de secuencia cero do transformador de conexión a terra se accione prematuramente.
1.2 Terreo incorrecto da blindaxe do cable que causa o malfuncionamento.
As alimentadoras de 10 kV das subestações de 110 kV usan cables blindados con blindaxes terreadas en ambos os extremos—unha práctica común para mitigar EMI. Os CTs de secuencia cero son de tipo toroidal instalados arredor dos cables nos terminais de saída do cuadro de distribución. Durante os falsos contactos a terra, as correntes desequilibradas inducen sinais no CT para activar a protección. No entanto, co terreo de ambos os extremos, as correntes inducidas na blindaxe tamén pasan a través do CT de secuencia cero, creando sinais falsos. Sen a mitigación adecuada, isto impide a precisión da protección de secuencia cero da alimentadora, levando ao accionamento do transformador de conexión a terra como respaldo.
1.3 Fallo da protección da alimentadora de 10 kV que causa o malfuncionamento.
Os relevadores modernos basados en microprocesadores ofrecen un rendemento mellorado, pero as diferenzas de calidade entre fabricantes e a mala dissipación de calor son problemas que persisten. As estadísticas de fallos mostran que os módulos de alimentación, placas de muestreo, placas CPU e módulos de salída de accionamento nas protecciones das alimentadoras de 10 kV son os máis propensos a fallos. Os fallos non detectados poden causar a negativa de protección, activando o malfuncionamento do transformador de conexión a terra.
1.4 Fallo do interruptor de alimentación de 10 kV que causa un mal funcionamento.
Con o envellecemento, as operacións frecuentes ou os problemas de calidade inerentes, os fallos nos equipos de conmutación de 10 kV, especialmente nos circuitos de control, están aumentando. Nas zonas montañosas menos desenvolvidas, os antigos armarios GG-1A permanecen en servizo con maiores taxas de fallos de terra. Aínda que a protección de secuencia cero funcione correctamente, o fallo do interruptor (por exemplo, unha bobina de disparo queimada que impide a operación) provoca un mal funcionamento do transformador de terra.
1.5 Fallos de terra de alta impedancia en dúas alimentacións de 10 kV (ou un único fallo de alta impedancia grave) que causan un mal funcionamento.
Cando dúas alimentacións experimentan fallos de terra de alta impedancia na mesma fase, as correntes de secuencia cero individuais poden manterse por debaixo do límite de disparo de 60 A (por exemplo, 40 A e 50 A), polo que as proteccións de alimentación só emiten unha alarma. Pero a corrente total (90 A) supera a configuración de 75 A do transformador de terra, provocando un disparo prematuro. Con alimentacións de 10 kV completamente en cable, as correntes capacitivas normais poden alcanzar 12–15 A. Incluso un único fallo de alta impedancia grave (por exemplo, 58 A) máis a corrente capacitiva normal se aproxima a 75 A. As oscilacións do sistema poden entón desencadear facilmente un mal funcionamento do transformador de terra.
2.Medidas para prevenir o mal funcionamento da protección do transformador de terra
Baseado na análise anterior, recoméndanse as seguintes medidas:
2.1 Para prevenir o mal funcionamento inducido por erro no TC
Empregar TCs de secuencia cero de alta calidade; probar rigorosamente as características dos TCs antes da instalación e rexeitar aqueles con un erro >5%; establecer os valores de pickup da protección baseados na corrente primaria; verificar as configuracións mediante ensaios de inxestión primaria.
2.2 Para prevenir unha conexión incorrecta ao terra do escudo do cable
Os conductores de conexión ao terra do escudo do cable deben pasar cara abaixo a través do TC de secuencia cero e estar aislados das bandejas de cables. Non debe haber contacto co terra antes de pasar a través do TC. Exponer as extremidades metálicas para ensaios de inxestión primaria; aislar o resto de forma fiable.
Se o punto de conexión ao terra do escudo está por debaixo do TC, o conductor non debe pasar a través do TC. Evitar rotear o conductor de conexión ao terra do escudo a través do medio do TC.
Potenciar a formación técnica para que os equipos de protección de relés e cables comprendan completamente os métodos de instalación dos TCs e da conexión ao terra do escudo.
Fortalecer os procedementos de aceptación con inspeccións xuntas dos equipos de relés, operacións e cables.
2.3 Para prevenir o fallo da protección de alimentación
Escoller dispositivos de protección probados e fiables; substituír unidades envelexadas ou con fallos frecuentes; potenciar a mantemento; instalar aire condicionado e ventilación para evitar a operación a altas temperaturas.
2.4 Para prevenir o fallo do interruptor de alimentación
Empregar equipos de conmutación fiables e maduros; eliminar os antigos armarios GG-1A a favor de tipos selados, cargados por molas ou motor; mantemento dos circuitos de control; empregar bobinas de disparo de alta calidade.
2.5 Para prevenir o mal funcionamento por fallos de alta impedancia
Patrullar e reparar as alimentacións inmediatamente tras unha alarma de secuencia cero; reducir as lonxitudes das alimentacións; equilibrar as cargas de fase para minimizar as correntes capacitivas normais.
3. Conclusión
A medida que máis redes regionais instalan transformadores de terra e protección asociada para mellorar a estrutura e a estabilidade, os incidentes recorrentes de mal funcionamento destacan a necesidade de abordar os efectos adversos. Este artigo analiza as causas principais do mal funcionamento da protección do transformador de terra e propón contramedidas, proporcionando orientación para as rexións que teñan instalado ou planeen instalar tais sistemas.
