Análise das Causas de Malfuncionamento da Protección do Transformador de Aterramento

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 dos transformadores principais na rede está xeralmente conectado en configuración delta, que non proporciona punto neutro para conectar resistencias de aterramento. Cando ocorre unha falla de terra monofásica nun sistema con punto neutro non aterrado, o triángulo de voltaxes entre liñas permanece simétrico, causando unha perturbación mínima nas operacións do usuario. Ademais, cando a corrente capacitiva é relativamente pequena (menor que 10 A), algúns fallos de terra transitórios poden extinguirse por si mesmos, o que é moi eficaz para mellorar a fiabilidade do suministro eléctrico e reducir os incidentes de interrupción.

Non obstante, coa expansión e desenvolvemento continuos da industria eléctrica, este método simple xa non satisfai as demandas actuais. Nas redes urbanas modernas, o uso crecente de circuitos de cable levou a correntes capacitivas significativamente maiores (superiores a 10 A). Ba estas condicións, o arco de terra non pode ser extinguido de forma fiable, resultando nas seguintes consecuencias:

• A extinción e reacendemento intermitentes do arco de terra monofásico poden xerar sobretensións de arco-terra con amplitudes que alcanzan ata 4U (onde U é a tensión de pico da fase) ou incluso máis altas, durando durante períodos prolongados. Isto supón graves amenazas para o aislamento do equipo eléctrico, podendo provocar roturas nos puntos de aislamento débiles e levar a perdas significativas.

• O arco sostenido ioniza o aire circundante, degradando as súas propiedades aislantes e aumentando a probabilidade de cortocircuitos entre fases.

• Pódense producir sobretensións ferroresonantes, que facilmente danifican os transformadores de tensión e os pararrayos, podendo incluso provocar explosións de pararrayos. Estas consecuencias ponen en grave perigo a integridade do aislamento do equipo da rede e ameazan a operación segura de todo o sistema eléctrico.

Para prevenir tales incidentes e proporcionar suficiente corrente e tensión de secuencia cero para garantir a operación fiable da protección contra fallos de terra, debe crear un punto neutro artificial para que se poida conectar unha resistencia de aterramento. Esta necesidade levou ao desenvolvemento de transformadores de aterramento (xeralmente chamados "transformadores de aterramento" ou "unidades de aterramento"). Un transformador de aterramento crea artificialmente un punto neutro con unha resistencia de aterramento, xeralmente con baixa resistencia (xeralmente inferior a 5 ohms).

Ademais, debido ás súas características electromagnéticas, o transformador de aterramento presenta alta impedancia para as correntes de secuencia positiva e negativa, permitindo que só unha pequena corrente de excitación flua a través das súas bobinas. En cada extremidade do núcleo, dúas seccións de bobina están enrolladas en dirección oposta. Cando correntes de secuencia cero iguais fluen a través destas bobinas, exhiben baixa impedancia, resultando en unha caída de tensión mínima a través das bobinas ba condicións de secuencia cero.

Especificamente, durante un fallo de terra, a bobina transporta correntes de secuencia positiva, negativa e cero. Presenta alta impedancia para as correntes de secuencia positiva e negativa, pero baixa impedancia para a corrente de secuencia cero. Isto ocorre porque, dentro da mesma fase, as dúas bobinas están conectadas en serie con polaridade oposta; as forzas electromotrices inducidas son iguais en magnitude pero opostas en dirección, anulándose efectivamente, presentando así baixa impedancia para a corrente de secuencia cero.

En moitas aplicacións, os transformadores de aterramento úsanse só para proporcionar un punto neutro con unha pequena resistencia de aterramento e non fornecen ningún carga secundaria. Polo tanto, moitos transformadores de aterramento están deseñados sen bobina secundaria. Durante a operación normal da rede, o transformador de aterramento opera esencialmente nun estado sen carga. No entanto, durante un fallo, transporta corrente de fallo só durante un breve período. Nuns sistemas de aterramento de baixa resistencia, cando ocorre un fallo de terra monofásico no lado de 10 kV, a protección de secuencia cero altamente sensible identifica rapidamente e isola temporalmente o alimentador defectuoso. 

O transformador de aterramento está activo só durante o breve intervalo entre a ocorrencia do fallo e a operación da protección de secuencia cero do alimentador. Durante este tempo, a corrente de secuencia cero flue a través da resistencia de aterramento neutro e do transformador de aterramento, segundo a fórmula: I_R = U / (R₁ + R₂), onde U é a tensión de fase do sistema, R₁ é a resistencia de aterramento neutro e R₂ é a resistencia adicional no circuito de fallo de terra.

Baseado na análise anterior, as características de operación dun transformador de aterramento son: operación sen carga a longo prazo e sobrecarga a curto prazo durante fallos.

En resumo, un transformador de aterramento crea artificialmente un punto neutro para conectar unha resistencia de aterramento. Durante un fallo de terra, exhibe alta impedancia para as correntes de secuencia positiva e negativa, pero baixa impedancia para a corrente de secuencia cero, asegurando así a operación fiable da protección contra fallos de terra.

Actualmente, os transformadores de aterramento instalados nas subestacións serven dous propósitos principais:

• 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 (bobina Petersen), compensa a corrente de fallo de terra capacitiva durante fallos de terra monofásicos de 10 kV, extinguindo así o arco no punto de fallo. O principio é o seguinte:

Ao longo de toda a lonxitude dos conductores nunha rede de tres fases, existe capacitancia tanto entre fases como entre cada fase e terra. Cando o neutral da rede non está solidamente aterrado, a capacitancia a terra da fase defectuosa tornase cero durante un fallo de terra monofásico, mentres que as tensións das outras dúas fases aumentan a √3 veces a tensión de fase normal. Aínda que esta tensión aumentada permanece dentro dos límites de deseño de aislamento, aumenta a súa capacitancia a terra. A corrente de fallo de terra capacitiva durante un fallo monofásico é aproximadamente tres veces a corrente capacitiva normal por fase. Cando esta corrente se volve grande, manteñese facilmente arcos intermitentes, excitando oscilacións resonantes no circuito inductivo-capacitivo da rede e xerando sobretensións de ata 2,5–3 veces a tensión de fase. Cuanto maior sexa a tensión da rede, maior é o risco de tales sobretensións. polo tanto, só os sistemas abaixo de 60 kV poden operar con un neutral non aterrado, xa que as súas correntes de fallo de terra capacitivas monofásicas permanecen pequenas. Para sistemas de maior tensión, debe usarse un transformador de aterramento para conectar o punto neutro a través de impedancia.

Cando unha das bandas dun transformador principal dunha subestación (por exemplo, a banda de 10 kV) está conectada en delta ou estrela sen neutro sacado, e a corrente monofásica capacitiva ao terra é grande, non hai punto neutro dispoñible para o terreo. Neses casos, emprega-se un transformador de terreo para crear un punto neutro artificial, permitindo a conexión a unha bobina de supresión de arcos. Este punto neutro artificial permite ao sistema compensar a corrente capacitiva e apagar os arcos ao terra—este é o papel fundamental do transformador de terreo.

Durante a operación normal, o transformador de terreo experimenta unha tensión trifásica equilibrada e soporta só unha pequena corrente de excitación, operando esencialmente sen carga. A diferenza de potencial entre o neutro e o terra é cero (desprégandose a pequena tensión de desprazamento do neutro da bobina de supresión de arcos), e non circula corrente pola bobina. Se, por exemplo, a fase C sufre unha fagulha ao terra, a resultante tensión de secuencia cero (derivada da asimetría) fluye pola bobina de supresión de arcos ao terra. A bobina xera unha corrente inductiva que compensa a corrente de fagulha capacitiva ao terra, eliminando así o arco—funcionalmente idéntico a unha bobina de supresión de arcos independente.

Nos últimos anos, ocorreron múltiples malfuncionamentos da protección do transformador de terreo en subestações de 110 kV nunha certa rexión, afectando seriamente a estabilidade da rede. Para identificar as causas raíz, foron realizadas analises, implementáronse medidas correctivas e compartíronse leccións para evitar a repetición e orientar outras rexións.

Con o uso crecente de alimentadores de cable nas redes de 10 kV de subestações de 110 kV, as correntes capacitivas monofásicas ao terra aumentaron substancialmente. Para suprimir as magnitudes de sobrexuste durante as fagulhas ao terra, moitas subestações de 110 kV instalan agora transformadores de terreo para implementar o terreo de baixa resistencia, establecendo unha via de corrente de secuencia cero. Isto permite a protección de secuencia cero selectiva para aislar as fagulhas ao terra segundo a súa localización, evitando a reactivación dos arcos e asegurando o suministro eléctrico seguro.

Desde 2008, unha certa rexión remodelou os seus sistemas de 10 kV de subestações de 110 kV a terreo de baixa resistencia instalando transformadores de terreo e dispositivos de protección asociados. Isto permite o aislamento rápido de calquera fagulha ao terra de alimentadores 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 terreo, provocando cortes e ameazando a estabilidade da rede. Polo tanto, identificar as causas e implementar solucións é esencial.

1. Análise das causas dos malfuncionamentos da protección do transformador de terreo

Cando un alimentador de 10 kV sufre unha fagulha ao terra, a protección de secuencia cero do alimentador na subestación de 110 kV debe actuar primeiro para aislar a fagulha. Se falla, a protección de secuencia cero de reserva do transformador de terreo acciona os interruptores de barramento e transformador principal para conter a fagulha. Polo tanto, a correcta operación da protección e interruptores de alimentadores de 10 kV é crítica. A análise estatística dos malfuncionamentos en cinco subestações mostra que a falla da protección do alimentador é a causa principal.

A protección de secuencia cero do alimentador de 10 kV funciona do seguinte modo: TC de secuencia cero muestrea → protección inicia → interruptor acciona. Os componentes clave son o TC de secuencia cero, o relé de protección e o interruptor. A análise centra-se nestes:

1.1 Erros de TC de secuencia cero que causan malfuncionamentos
Durante unha fagulha ao terra, o TC de secuencia cero do alimentador defectuoso detecta a corrente de fagulha, activando a súa protección. Ao mesmo tempo, o TC de secuencia cero do transformador de terreo tamén sinaliza a corrente. Para asegurar a selectividade, as configuracións da protección do alimentador (por exemplo, 60 A, 1,0 s) son menores que as do transformador de terreo (por exemplo, 75 A, 1,5 s para accionar o interruptor de barramento, 2,5 s para accionar o transformador principal). No entanto, os erros de TC (por exemplo, -10% para o TC do transformador de terreo, +10% para o TC do alimentador) poden facer que as correntes reais de activación sexan case iguais (67,5 A vs. 66 A), confiando só no retardo. Isto aumenta o risco de sobrepaso do transformador de terreo.

1.2 Terreo incorrecto do escudo do cable que causa malfuncionamentos
Os alimentadores de 10 kV usan cables blindados co escudo terreado en ambos os extremos—unha práctica común para mitigar EMI. Os TCs de secuencia cero son tipicamente toroidais, instalados arredor do cable na saída do quadro de manobra. Durante unha fagulha ao terra, a corrente desequilibrada induce un sinal no TC. Pero, se o escudo está terreado en ambos os extremos, as correntes circulantes do escudo tamén pasan polo TC, distorcendo a medida. Sen unha instalación correcta (por exemplo, o fío de terreo do escudo pasando correctamente polo TC), a protección do alimentador pode fallar, causando o sobrepaso do transformador de terreo.

1.3 Falla da protección do alimentador que causa malfuncionamentos
Aínda que os relés baseados en microprocesadores ofrecen alto rendemento, a calidade do produto varía. As fallos comúns implican módulos de enerxía, muestreo, CPU ou saída de disparo. Se non se detectan, estes poden causar a negativa de protección, levando ao malfuncionamento do transformador de terreo.

1.4 Falla do interruptor do alimentador que causa malfuncionamentos
O envelhecemento, as operacións frecuentes ou os interruptores de baixa calidade (especialmente os tipos GG-1A máis antigos en áreas rurais) aumentan as taxas de fallo. As faltas do circuito de control—particularmente as bobinas de disparo quemas—impiden a operación do interruptor incluso cando a protección ordega un disparo, forzando a actuación da protección de reserva do transformador de terreo.

1.5 Fagulhas ao terra de alta impedancia en un ou dous alimentadores que causan malfuncionamentos
Se dous alimentadores experimentan simultaneamente fagulhas ao terra de alta impedancia na mesma fase, as correntes de secuencia cero individuais (por exemplo, 40 A e 50 A) poden permanecer abaixo da activación do alimentador (60 A), pero a súa suma (90 A) supera a configuración do transformador de terreo (75 A), causando o sobrepaso. Incluso unha única fagulha de alta impedancia severa (por exemplo, 58 A) combinada coa corrente capacitiva normal (por exemplo, 12–15 A) pode aproximar a 75 A. As perturbacións do sistema poden entón activar o malfuncionamento.

2. Medidas preventivas para evitar malfuncionamentos

2.1 Corrixir os erros de TC

Usar TCs de secuencia cero de alta calidade; rexeitar unidades con erro >5% durante a puesta en marcha; estabelecer umbrais de protección baseados en valores primarios; verificar as configuracións mediante ensaios de inxexión primaria.

2.2 Corrixir o terreo do escudo do cable

• Conduza os fios de terra do escudo para baixo a través do CT de secuencia cero e isole dos bandejas de cables; evite o contacto antes do CT.

• Deixe as extremidades dos conductores expostas para proba; isole o resto.

• Se o punto de terra do escudo está por debaixo do CT, non o conduza a través do CT. Evite colocar o punto de terra dentro da ventana do CT.

• Forme ao persoal de protección e cables na instalación correcta.

• Impoña inspeccións de aceptación xunta polas equipos de relevos, operacións e cables.

2.3 Prevenir a recusa da protección

Use relevos comprobados e fiables; substitúa unidades envejecidas ou defectuosas; mellore a manutención; instale refrixeración/ventilación para prevenir o sobrecalentamento.

2.4 Prevenir a recusa do interruptor

Use interruptores modernos e fiables (por exemplo, tipos selados con mola ou motor); desuse os antigos armarios GG-1A; mantén os circuitos de control; use bobinas de disparo de alta calidade.

2.5 Mitigar os riscos de fallos de alta impedancia

Investigue e limpe rapidamente os alimentadores cando ocorran alarmes de terra; reduza as lonxitudes dos alimentadores; equilibre as cargas de fase para minimizar a corrente capacitiva normal.

3. Conclusión

Aínda que as transformadoras de terra melloran a estrutura e a estabilidade da rede, as malas operacións recurrentes destacan riscos ocultos. Este artigo analiza as causas clave e propón soluções prácticas para guiar as rexións que xa instalou ou planea instalar transformadoras de terra.

Transformadoras de Terra Zigzag (Tipo Z)

Nas redes de distribución de 35 kV e 66 kV, as bobinas das transformadoras están tipicamente conectadas en estrella con un punto neutro dispoñible, eliminando a necesidade de transformadoras de terra. No entanto, nas redes de 6 kV e 10 kV, as transformadoras conectadas en delta carecen dun punto neutro, sendo necesario unha transformadora de terra para proporcionalo—principalmente para conectar as bobinas de supresión de arcos.

As transformadoras de terra usan conexións de bobina zigzag (tipo Z): cada bobina de fase está dividida en dúas pernas do núcleo. As fluxos magnéticos de secuencia cero das dúas bobinas se cancelan entre si, resultando nunha impedancia de secuencia cero moi baixa (tipicamente <10 Ω), baixas perdas a vacío e utilización superior ao 90% da capacidade nominal. En contraste, as transformadoras convencionais teñen unha impedancia de secuencia cero moito máis alta, limitando a capacidade das bobinas de supresión de arcos a ≤20% da capacidade da transformadora. Polo tanto, as transformadoras tipo Z son óptimas para aplicacións de terra.

Cando a tensión de desequilibrio do sistema é grande, as bobinas de tipo Z balanceadas son suficientes para a medida. En sistemas de baixo desequilibrio (por exemplo, redes de todo cable), o neutro está deseñado para producir 30–70 V de tensión de desequilibrio para as necesidades de medida.

As transformadoras de terra tamén poden abastecer cargas secundarias, servindo como transformadoras de servizo de estación. Neses casos, a capacidade primaria é igual á suma da capacidade da bobina de supresión de arcos e a capacidade da carga secundaria.

A función principal dunha transformadora de terra é proporcionar corrente de compensación de fallo a terra.

A figura 1 e a figura 2 amosan dúas conexións comúns de transformadoras de terra de tipo Z: ZNyn11 e ZNyn1. O principio detrás da baixa impedancia de secuencia cero é o seguinte: cada perna do núcleo contén dúas bobinas idénticas conectadas a diferentes voltaxes de fase. Baixo voltaxe de secuencia positiva ou negativa, a forza magnetomotriz (FMM) en cada perna é a suma vectorial de dúas FMMs de fase. As tres FMMs de perna están equilibradas e a 120° de distancia, formando unha ruta magnética pechada con baixa reticencia, alto fluxo, alto voltaxe inducido e, polo tanto, alta impedancia de magnetización.

Baixo voltaxe de secuencia cero, as dúas bobinas en cada perna prodúcense FMMs iguais pero opostas, resultando nunha FMM neta nula por perna. Non fluye ningún fluxo de secuencia cero no núcleo; en cambio, circula a través do tanque e o medio circundante, encontrando alta reticencia. Como consecuencia, o fluxo e a impedancia de secuencia cero son moi baixos.