Quines són les diferències entre un transformador de puesta a tierra i un transformador convencional?

Què és un transformador de puesta a tierra?

Un transformador de puesta a tierra, abreviado com "transformador de puesta a tierra," es pot classificar en aïllat amb oli i sec segons el medi de reompliment; i en transformadors de puesta a tierra trifàsics i monofàsics segons el nombre de fases.

Diferència entre els transformadors de puesta a tierra i els transformadors convencionals

El propòsit d'un transformador de puesta a tierra és crear un punt neutre artificial per connectar una bobina de supressió d'arc o un resistor quan el sistema estigui connectat en configuració delta (Δ) o estrella (Y) sense un punt neutre accessible. Aquests transformadors utilitzen connexions de bobinat zigzag (o "Z-típic"). La diferència clau amb els transformadors convencionals és que cada bobinat de fase es divideix en dos grups envoltats en direccions oposades al mateix llamborda magnètic. Aquest disseny permet que el flux zero-secuencial flueixi a través dels llambordes, mentre que en els transformadors convencionals, el flux zero-secuencial viatja a través de camins de fuga. 

Per tant, la impedància zero-secuencial d'un transformador de puesta a tierra Z-típic és molt baixa (al voltant de 10 Ω), mentre que la d'un transformador convencional és molt més alta. Segons les normatives tècniques, quan s'utilitza un transformador convencional per connectar una bobina de supressió d'arc, la capacitat de la bobina no ha de superar el 20% de la capacitat nominal del transformador. En canvi, un transformador Z-típic pot portar una bobina de supressió d'arc al 90%–100% de la seva pròpia capacitat. A més, els transformadors de puesta a tierra poden alimentar càrregues secundàries i servir com a transformadors de servei de la subestació, així doncs, esparen costos d'inversió.

Principi de funcionament dels transformadors de puesta a tierra

Un transformador de puesta a tierra crea artificialment un punt neutre amb un resistor de puesta a tierra, que generalment té una resistència molt baixa (generalment requerida ser inferior a 5 ohms). A més, degut a les seves característiques electromagnètiques, el transformador de puesta a tierra presenta una alta impedància a les corrents positiva i negativa-secuencials, permetent que només una petita corrent d'excitació flueixi als bobinats. En cada llamborda, les dues seccions de bobinat estan envoltades en direccions oposades. Quan corrents zero-secuencials iguals flueixen a través d'aquests bobinats en el mateix llamborda, presenten una baixa impedància, resultant en una mínima caiguda de tensió. 

Durant un defecte a terra, els bobinats duen corrents positiva, negativa i zero-secuencials. El bobinat presenta una alta impedància a les corrents positiva i negativa-secuencials, però una baixa impedància a la corrent zero-secuencial perquè, dins de la mateixa fase, els dos bobinats estan connectats en sèrie amb polaritat oposada—les seves forces electromotrius induïdes són iguals en magnitud però oposades en direcció, cancel·lant-se així mútuament.

Molts transformadors de puesta a tierra es fan servir només per proporcionar un punt neutre de baixa resistència i no alimenten cap càrrega secundària; per tant, molts estan dissenyats sense bobinat secundari. Durante l'operació normal de la xarxa, el transformador de puesta a tierra opera essencialment en un estat sense càrrega. No obstant això, durant un defecte, porta la corrent de defecte només per un curt període. En un sistema de puesta a tierra de baixa resistència, quan ocorre un defecte a terra monofàsic, una protecció zero-secuencial molt sensible identifica i aïlla temporalment el cable defector. 

El transformador de puesta a tierra està actiu només durant el breu interval entre l'ocurrència del defecte i l'operació de la protecció zero-secuencial del cable. Durant aquest temps, la corrent zero-secuencial flueix a través del resistor de puesta a tierra neutral i el transformador de puesta a tierra, seguint la fórmula: IR = U / R₁, on U és la tensió de fase del sistema i R₁ és la resistència de puesta a tierra neutral.

Conseqüències quan l'arc de puesta a tierra no es pot extingir de manera fiable

• L'extinció intermitent i la reiniciació de l'arc a terra monofàsic generen sobretensions d'arc a terra amb amplituds que arriben fins 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 causar ruptures en punts d'aïllament febles i conduir a pèrdues significatives.

• L'arc sostenut ionitza l'aire circumdant, degradant les seves propietats aïllants i augmentant la probabilitat de curtes circuits entre fases.

• Poden ocórrer sobretensions ferroresonants, que poden danificar fàcilment els transformadors de tensió i els paràfuls—potencialment fins i tot causant explosions de paràfuls. Aquestes conseqüències amenaçen gravement la integritat de l'aïllament dels equips de la xarxa i posen en perill la seguretat operativa de tot el sistema elèctric.

Què són les corrents positiva, negativa i zero-secuencial?

• Corrent negativa-secuencial: La fase A va retardada respecte a la fase B en 120°, la fase B va retardada respecte a la fase C en 120°, i la fase C va retardada respecte a la fase A en 120°.

• Corrent positiva-secuencial: La fase A va avançada respecte a la fase B en 120°, la fase B va avançada respecte a la fase C en 120°, i la fase C va avançada respecte a la fase A en 120°.

• Corrent zero-secuencial: Totes tres fases (A, B, C) estan en fase—cap fase va avançada o retardada respecte a l'altra.

Durant els defectes de curtes circuits trifàsics i l'operació normal, el sistema conté només components positiva-secuencials.
durant els defectes a terra monofàsics, el sistema conté components positiva, negativa i zero-secuencials.
Durant els defectes de curtes circuits bifàsics, el sistema conté components positiva i negativa-secuencials.
Durant els defectes de curtes circuits bifàsics a terra, el sistema conté components positiva, negativa i zero-secuencials.

Característiques d'operació dels transformadors de puesta a tierra

El transformador de tierra opera en condicions sense càrrega durant l'operació normal de la xarxa i experimenta una sobrecàrrega a curt termini durant els errors. En resum, la funció d'un transformador de tierra és crear artificialment un punt neutre per connectar una resistència de tierra. Durant un error de tierra, presenta una gran impedància a les corrents de seqüència positiva i negativa, però baixa impedància a la corrent de seqüència zero, assegurant el funcionament fiable de la protecció contra errors de tierra.

Tierra Neutra mitjançant Sistemes de Bucle de Supressió d'Arc

Quan es produeix un error de tierra monofàsic transitori a la xarxa degut a aïllament deficient de l'equipament, dany extern, error de l'operador, sobre-tensió interna o qualsevol altra causa, la corrent d'error de tierra flueix a través del bucle de supressió d'arc com a corrent inductiva, que té direcció oposada a la corrent capacitiva. Això pot reduir la corrent al punt de l'error a un valor molt petit o fins i tot a zero, extingint així l'arc i eliminant els perills associats. L'error s'esborra automàticament sense activar la protecció relé ni el desconnectador, millorant significativament la fiabilitat del subministrament d'energia.

Tres Modes Operatius de Compensació

Hi ha tres modes operatius de compensació diferents: subcompensació, compensació completa i supercompensació.

• Subcompensació: La corrent inductiva després de la compensació és menor que la corrent capacitiva.

• Supercompensació: La corrent inductiva després de la compensació és major que la corrent capacitiva.

• Compensació completa: La corrent inductiva després de la compensació és igual a la corrent capacitiva.

Mode de Compensació Utilitzat en la Tierra Neutra mitjançant Sistemes de Bucle de Supressió d'Arc

En sistemes amb terra neutra a través d'un bucle de supressió d'arc, s'ha d'evitar la compensació completa. Independentment de la magnitud de la tensió d'equilibri del sistema, la compensació completa pot causar resonància en sèrie, exponint el bucle de supressió d'arc a tensions perillosament altes. Per tant, en la pràctica s'adopta la supercompensació o la subcompensació, sent la supercompensació el mode més utilitzat.

Rasons Principals per Adoptar la Supercompensació

En els sistemes subcompensats, es poden produir fàcilment sobretensions elevades durant els errors. Per exemple, si part de les línies es desconecta a causa d'un error o d'altres raons, un sistema subcompensat pot desplaçar-se cap a la compensació completa, causant resonància en sèrie i resultant en una tensió de desplaçament neutral molt alta i sobretensió. Un gran desplaçament neutral en els sistemes subcompensats també amenaça la integritat de l'aïllament, un inconvenient que no es pot evitar mentre s'utilitzi la subcompensació.

Durant l'operació normal d'un sistema subcompensat amb un desequilibri trifàsic significatiu, es poden produir sobretensions ferromagnètiques molt elevades. Aquest fenomen sorgeix de la resonància ferromagnètica entre el bucle de supressió d'arc subcompensat (on ωL > 1/(3ωC₀)) i la capacitance de la línia (3C₀). Aquesta resonància no ocorre amb la supercompensació.

Els sistemes d'energia són en expansió contínua, i la capacitance de la xarxa a terra augmenta en conseqüència. Amb la supercompensació, el bucle de supressió d'arc instal·lat originalment pot romandre en servei per un cert temps, fins i tot si finalment es desplaça cap a la subcompensació. Tanmateix, si el sistema comença amb subcompensació, qualsevol expansió requereix immediatament capacitat addicional de compensació.

Amb la supercompensació, la corrent que flueix a través del punt de l'error és inductiva. Després de l'extinció de l'arc, la velocitat de recuperació de la tensió de la fase defectuosa és més lenta, fent menys probable la re-ignició de l'arc.

Sota supercompensació, una disminució de la freqüència del sistema només augmenta temporalment el grau de supercompensació, el qual no suposa cap problema durant l'operació normal. Al contrari, la subcompensació combinada amb una freqüència reduïda pot portar el sistema prop de la compensació completa, augmentant la tensió de desplaçament neutral.

Resum

El transformador de tierra també funciona com a transformador de servici, reduint la tensió de 35 kV a 380 V de baixa tensió per subministrar energia per a la càrrega de bateries, la ventilació de SVG, l'enllumenat de manteniment i les càrregues auxiliars generals de la subestació.

En les xarxes d'energia modernes, els cables estan reemplaçant ampliament les línies aèries. Com que la corrent de tierra monofàsica capacitiva de les línies de cable és molt més gran que la de les línies aèries, la terra neutra a través dels bucles de supressió d'arc sovint no aconsegueix extingir l'arc d'error ni suprimir les sobretensions resonants perilloses. Per tant, la nostra subestació adopta un esquema de terra neutra de baixa resistència. Aquest enfocament és similar als sistemes de terra neutra sòlida i requereix l'instal·lació de protecció d'errors de tierra monofàsics que opera per desconnectar els desconnectadors. En l'ocurrència d'un error de tierra monofàsic, la línia defectuosa es separa ràpidament.