Anàlisi de les causes de la malfuncionament de la protecció del transformador de terra
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 dels transformadors principals en la xarxa sol estar connectat en configuració delta, que no proporciona cap punt neutre per connectar resistors de terra. Quan es produeix un defecte de terra monofàsic en un sistema amb punt neutre no connectat, el triangle de tensions entre línies roman simètric, causant una pertorbació mínima en les operacions dels usuaris. A més, quan la corrent capacitiva és relativament petita (menys de 10 A), alguns defectes de terra transitoris poden apagar-se automàticament, el que és molt eficaç per millorar la fiabilitat del subministrament elèctric i reduir els incidents d'interrupció.
No obstant això, amb l'expansió i desenvolupament contínu de l'indústria elèctrica, aquest mètode simple ja no compleix les demandes actuals. En les xarxes elèctriques urbanes modernes, l'ús creixent de circuits de cable ha portat a corrents capacitives significativament més altes (superiors a 10 A). En aquestes condicions, l'arc de terra no es pot apagar de manera fiable, resultant en les següents conseqüències:
L'extinció intermitent i rellamada de l'arc de terra monofàsic pot generar sobretensions d'arc-terra amb amplituds que arriben a 4U (on U és la tensió de pic de fase) o encara més, durant períodes prolongats. Això suposa amenaces greus per a l'aïllament dels equips elèctrics, podent provocar ruptures en punts d'aïllament feble i conduir a pèrdues significatives.
L'arc sostenut ionitza l'aire ambient, degradant les seves propietats aïllants i augmentant la probabilitat de curtes circuits entre fases.
Poden produir-se sobretensions ferroresonants, que poden danificar fàcilment els transformadors de tensió i els paragons—potencialment fins i tot provocant explosions de paragons. Aquestes conseqüències amenacen greument la integritat de l'aïllament dels equips de la xarxa i posen en perill la seguretat operativa de tot el sistema elèctric.
Per prevenir aquests incidents i proporcionar una corrent i tensió de seqüència zero suficients per assegurar el funcionament fiable de la protecció contra defectes de terra, cal crear un punt neutre artificial per tal que es pugui connectar un resistor de terra. Aquesta necessitat va portar al desenvolupament de transformadors de terra (comunament anomenats "transformadors de terra" o "unitats de terra"). Un transformador de terra crea artificialment un punt neutre amb un resistor de terra, típicament amb una resistència molt baixa (generalment inferior a 5 ohms).
A més, degut a les seves característiques electromagnètiques, el transformador de terra presenta una impedància alta per a les corrents de seqüència positiva i negativa, permetent que només una petita corrent d'excitació flueixi a través de les seves bobines. En cada braç del nucli, es fan dues seccions de bobina en sentits oposats. Quan corrents de seqüència zero iguals flueixen a través d'aquestes bobines, presenten una impedància baixa, resultant en un descens de tensió mínim a través de les bobines en condicions de seqüència zero.
Específicament, durant un defecte de terra, la bobina porta corrents de seqüència positiva, negativa i zero. Presenta una impedància alta per a les corrents de seqüència positiva i negativa, però una impedància baixa per a la corrent de seqüència zero. Això és degut al fet que, dins de la mateixa fase, les dues bobines estan connectades en sèrie amb polaritat oposada; les seves forces electromotrius induïdes són iguals en magnitud però oposades en direcció, cancel·lant-se efectivament, presentant així una impedància baixa per a la corrent de seqüència zero.
En moltes aplicacions, els transformadors de terra s'utilitzen únicament per proporcionar un punt neutre amb un petit resistor de terra i no suministren cap càrrega secundària. 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 un estat sense càrrega. No obstant això, durant un defecte, porta corrent de defecte només durant un curt període. En un sistema connectat a terra amb baixa resistència, quan es produeix un defecte de terra monofàsic al costat de 10 kV, la protecció de seqüència zero altament sensible identifica i aïlla temporalment el ramal defectuós ràpidament.
El transformador de terra només està actiu durant el breu interval entre la producció del defecte i l'operació de la protecció de seqüència zero del ramal. Durant aquest temps, la corrent de seqüència zero flueix a través del resistor de terra neutre i el transformador de terra, segons la fórmula: I_R = U / (R₁ + R₂), on U és la tensió de fase del sistema, R₁ és el resistor de terra neutre, i R₂ és la resistència addicional en el circuit de defecte de terra.
Basant-nos en l'anàlisi anterior, les característiques operatives d'un transformador de terra són: operació sense càrrega a llarg termini i sobrecàrrega a curt termini durant els defectes.
En resum, un transformador de terra crea artificialment un punt neutre per connectar un resistor de terra. Durante un defecte de terra, presenta una impedància alta per a les corrents de seqüència positiva i negativa, però una impedància baixa per a la corrent de seqüència zero, assegurant així el funcionament fiable de la protecció contra defectes de terra.
Actualment, els transformadors de terra instal·lats en subestacions serveixen dos propòsits principals:
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 d'extinció d'arc (bobina de Petersen), compensa la corrent de defecte de terra capacitiva durant defectes de terra monofàsics de 10 kV, extingint així l'arc al punt de defecte. El principi és el següent:
Al llarg de tota la longitud dels conductors en una xarxa elèctrica trifàsica, hi ha capacitances tant entre fases com entre cada fase i terra. Quan el neutre de la xarxa no està connectat solidàriament a terra, la capacitance a terra de la fase defectuosa es converteix en zero durant un defecte de terra monofàsic, mentre que les tensions de les altres dues fases augmenten a √3 vegades la tensió de fase normal. Tot i que aquest increment de tensió romand dins dels límits de disseny de l'aïllament, augmenta la seva capacitance a terra. La corrent de defecte de terra capacitiva durant un defecte monofàsic és aproximadament tres vegades la corrent capacitiva per fase normal. Quan aquesta corrent es fa gran, facilita l'existència d'arcs intermitents, excitant oscil·lacions resonants en el circuit inductivo-capacitiu de la xarxa i generant sobretensions fins a 2,5–3 vegades la tensió de fase. Més elevada sigui la tensió de la xarxa, més gran serà el risc d'aquestes sobretensions. Per tant, només els sistemes inferiors a 60 kV poden operar amb un neutre no connectat, ja que les seves corrents de defecte de terra capacitiva monofàsica romanen petites. Per als sistemes de major tensió, s'ha de utilitzar un transformador de terra per connectar el punt neutre a través d'una impedància.
Quan un costat del transformador principal d'una subestació (p. ex., el costat de 10 kV) està connectat en triangle o en estrella sense neutre, i la corrent monocàrica capacitiva al terra és gran, no hi ha cap punt neutre disponible per a la connexió a terra. En aquests casos, es fa servir un transformador de puesta a tierra per crear un punt neutre artificial, permetent la connexió a una bobina de supressió d'arc. Aquest neutre artificial permet al sistema compensar la corrent capacitiva i extinguir els arcs a terra—és això el rol fonamental del transformador de puesta a tierra.
Durant l'operació normal, el transformador de puesta a tierra experimenta una tensió equilibrada de tres fases i porta només una petita corrent d'excitació, operant essencialment sense càrrega. La diferència de potencial entre el neutre i la terra és zero (ignorant la minúscula tensió de desplaçament del neutre de la bobina de supressió d'arc), i no flueix cap corrent a través de la bobina. Si, per exemple, la fase C patix un defecte a terra, la tensió de seqüència zero resultant (derivada de l'asimetria) flueix a través de la bobina de supressió d'arc a terra. La bobina genera una corrent inductiva que compensa la corrent de defecte a terra capacitiva, eliminant així l'arc—funcionalment idèntic a una bobina de supressió d'arc independent.
En els darrers anys, s'han produït múltiples mal funcionaments de la protecció del transformador de puesta a tierra en subestacions de 110 kV en una certa regió, afectant greument la estabilitat de la xarxa. Per identificar les causes arrel, es van realitzar anàlisis, s'implementaren mesures correctores i es van compartir experiències per prevenir la recurrència i orientar altres regions.
Amb l'increment de l'ús de conductors de cable en les xarxes de 10 kV de les subestacions de 110 kV, les corrents monocàriques capacitives a terra han augmentat substancialment. Per suprimir les magnituds de sobretensió durant els defectes a terra, moltes subestacions de 110 kV instal·len ara transformadors de puesta a tierra per implementar una puesta a tierra de baixa resistència, establint un camí de corrent de seqüència zero. Això permet una protecció selectiva de seqüència zero per aïllar els defectes a terra basant-se en la ubicació, evitant la reilluminació de l'arc i assegurant un subministrament d'energia segur.
Des del 2008, una certa regió ha refitxat els sistemes de 10 kV de les seves subestacions de 110 kV a una puesta a tierra de baixa resistència mitjançant l'instal·lació de transformadors de puesta a tierra i dispositius de protecció associats. Això permet l'aïllament ràpid de qualsevol defecte a terra en alimentadors de 10 kV, minimitzant l'impacte en la xarxa. No obstant això, recentment, cinc subestacions de 110 kV en la regió han experimentat repetits mal funcionaments de la protecció del transformador de puesta a tierra, causant interrupcions i amenaçant la estabilitat de la xarxa. Per tant, identificar les causes i implementar solucions és essencial.
1. Anàlisi de les causes dels mal funcionaments de la protecció del transformador de puesta a tierra
Quan un alimentador de 10 kV patix un defecte a terra, la protecció de seqüència zero de l'alimentador a la subestació de 110 kV hauria de funcionar primer per aïllar el defecte. Si falla, la protecció de seqüència zero de backup del transformador de puesta a tierra activa els trencadors de barra i del transformador principal per contenir el defecte. Per tant, l'operació correcta de la protecció i trencadors dels alimentadors de 10 kV és crítica. L'anàlisi estadística dels mal funcionaments en cinc subestacions mostra que el fracàs de la protecció dels alimentadors és la causa principal.
La protecció de seqüència zero de l'alimentador de 10 kV funciona de la següent manera: mostreig del CT de seqüència zero → inici de la protecció → trencament del trencador. Els components clau són el CT de seqüència zero, el relé de protecció i el trencador. L'anàlisi es centra en aquests:
1.1 Errors del CT de seqüència zero que causen mal funcionaments
Durant un defecte a terra, el CT de seqüència zero de l'alimentador defectuós detecta la corrent de defecte, activant-ne la protecció. Simultàniament, el CT de seqüència zero del transformador de puesta a tierra també sent la corrent. Per assegurar la selectivitat, les configuracions de protecció de l'alimentador (p. ex., 60 A, 1,0 s) són inferiors a les del transformador de puesta a tierra (p. ex., 75 A, 1,5 s per a trencar la barra, 2,5 s per a trencar el transformador principal). Tanmateix, els errors del CT (p. ex., -10% per al CT del transformador de puesta a tierra, +10% per al CT de l'alimentador) poden fer que les corrents reals de captura siguin gairebé iguals (67,5 A vs. 66 A), depenent només del retard temporal. Això augmenta el risc de superació del transformador de puesta a tierra.
1.2 Puesta a tierra incorrecta del blindat del cable que causa mal funcionaments
Els alimentadors de 10 kV utilitzen cables blindats amb el blindat a terra als dos extrems—una pràctica comuna per mitigar EMI. Els CT de seqüència zero són típicament toroidals, instal·lats al voltant del cable a la sortida del quadro de distribució. Durante un defecte a terra, la corrent desequilibrada induix un senyal al CT. No obstant això, si el blindat està a terra als dos extrems, les corrents circulants del blindat també passen a través del CT, distorsionant la mesura. Sense una instal·lació adequada (p. ex., el fil de puesta a tierra del blindat passant correctament a través del CT), la protecció de l'alimentador pot fallar, causant una superació del transformador de puesta a tierra.
1.3 Fracàs de la protecció de l'alimentador que causa mal funcionaments
Ambdós els relés basats en microprocessadors ofereixen un rendiment elevat, però la qualitat del producte varia. Les fallades comunes involucren mòduls d'energia, mostreig, CPU o sortida de trencament. Si no són detectades, aquestes poden causar un refús de la protecció, conduint a un mal funcionament del transformador de puesta a tierra.
1.4 Fracàs del trencador de l'alimentador que causa mal funcionaments
L'envejeciment, les operacions freqüents o els trencadors de baixa qualitat (especialment els tipus GG-1A antics en zones rurals) incrementen la taxa de fallada. Els defectes en el circuit de control—especialment els coils de trencament cremats—impedeixen l'operació del trencador fins i tot quan la protecció ordena un trencament, forçant la actuació del backup del transformador de puesta a tierra.
1.5 Defectes a terra d'alta impedància en un o dos alimentadors que causen mal funcionaments
Si dos alimentadors experimenten simultàniament defectes a terra d'alta impedància en la mateixa fase, les corrents de seqüència zero individuals (p. ex., 40 A i 50 A) poden romandre per sota de la captura de l'alimentador (60 A), però la seva suma (90 A) supera la configuració del transformador de puesta a tierra (75 A), causant una superació. Incluso un únic defecte a terra d'alta impedància sever (p. ex., 58 A) combinat amb la corrent capacitiva normal (p. ex., 12–15 A) pot apropar-se als 75 A. Les pertorbacions del sistema llavors poden desencadenar un mal funcionament.
2. Medidas preventives per evitar mal funcionaments
2.1 Abordar els errors del CT
Utilitzar CT de seqüència zero de alta qualitat; rebutjar unitats amb >5% d'error durant la puesta en servei; establir llindars de protecció basats en valors primaris; verificar les configuracions mitjançant proves d'injecció primària.
2.2 Corregir la puesta a tierra del blindat del cable
Dirigiu els cables de terra de l'escut cap avall a través del TC de seqüència zero i illa’ls de les bandes portacables; eviteu el contacte abans del TC.
Deixeu extrems conductors exposats per fer proves; isoleu la resta.
Si el punt de terra de l'escut és per sota del TC, no el feu passar a través del TC. Eviteu col·locar el punt de terra dins la finestra del TC.
Formeu el personal de protecció i de cables sobre la instal·lació correcta.
Exigiu inspeccions conjuntes d'acceptació per part dels equips de relés, operacions i cables.
2.3 Prevenció del refús de protecció
Utilitzeu relés provats i fiables; substituïu unitats envellescentes o defectuoses; millorant el manteniment; instal·leu sistemes de refrigeració/ventilació per evitar sobrecalfament.
2.4 Prevenció del refús del interruptor
Utilitzeu interruptors fiables i moderns (per exemple, tipus segellats amb càrrega per molla o motor); retireu progressivament els armaris antics GG-1A; mantingueu els circuits de control; utilitzeu bobines de desconnexió de gran qualitat.
2.5 Mitigació dels riscos de fallada d'alta impedància
Investigueu i allibereu immediatament els alimentadors quan es produeixin alarmes de terra; reduïu les longituds dels alimentadors; equilibreu les càrregues de fase per minimitzar el corrent capacitatiu normal.
3. Conclusió
Tot i que els transformadors de posada a terra milloren l'estructura i l'estabilitat de la xarxa, les reiterades incorreccions operatives posen de manifest riscos ocults. Aquest document analitza les causes principals i proposa solucions pràctiques per guiar les zones que han instal·lat o planejen instal·lar transformadors de posada a terra.
Transformadors de posada a terra en zig-zag (tipus Z)
En xarxes de distribució de 35 kV i 66 kV, els bobinatges del transformador solen estar connectats en estrella amb un punt neutre disponible, cosa que elimina la necessitat de transformadors de posada a terra. Tanmateix, en xarxes de 6 kV i 10 kV, els transformadors connectats en triangle no tenen punt neutre, pel que cal un transformador de posada a terra per proporcionar-ne un—principalment per connectar bobines de supressió d'arc.
Els transformadors de posada a terra utilitzen connexions de bobinatge en zig-zag (tipus Z): cada bobinatge de fase es divideix entre dues columnes del nucli. Els fluxos magnètics de seqüència zero dels dos bobinatges s'anul·len mútuament, resultant en una impedància de seqüència zero molt baixa (típicament <10 Ω), pèrdues a buit reduïdes i un aprofitament superior al 90% de la potència nominal. En canvi, els transformadors convencionals tenen una impedància de seqüència zero molt més elevada, limitant la capacitat de la bobina de supressió d'arc al ≤20% de la potència del transformador. Per tant, els transformadors tipus Z són òptims per a aplicacions de posada a terra.
Quan la tensió de desequilibri del sistema és elevada, els bobinatges equilibrats tipus Z són suficients per a la mesura. En sistemes de baix desequilibri (per exemple, xarxes totalment subterrànies), el neutre està dissenyat per produir una tensió de desequilibri de 30–70 V per cobrir les necessitats de mesura.
Els transformadors de posada a terra també poden subministrar càrregues secundàries, funcionant com a transformadors de subestació. En aquest cas, la potència nominal primària és igual a la suma de la capacitat de la bobina de supressió d'arc i la capacitat de càrrega secundària.
La funció principal d’un transformador de posada a terra és subministrar corrent de compensació en cas de fallada a terra.
La figura 1 i la figura 2 mostren dues connexions habituals de transformadors de posada a terra tipus Z: ZNyn11 i ZNyn1. El principi darrere de la baixa impedància de seqüència zero és el següent: cada columna del nucli conté dos bobinatges idèntics connectats a tensions de fase diferents. Sota tensió de seqüència positiva o negativa, la força magnetomotriu (FMM) a cada columna és la suma vectorial de dues FMM de fase. Les tres FMM de columna són equilibrades i separades 120°, formant un camí magnètic tancat amb baixa reluctància, alt flux, alta tensió induïda i, per tant, alta impedància de magnetització.
Sota tensió de seqüència zero, els dos bobinatges a cada columna produeixen FMM iguals però oposades, resultant en una FMM neta nul·la per columna. Cap flux de seqüència zero circula pel nucli; en canvi, circula a través del dipòsit i el medi circumdant, trobant-se amb alta reluctància. Conseqüentment, el flux i la impedància de seqüència zero són molt baixos.
