Que son as diferenzas entre un transformador de aterramento e un transformador convencional?

Que é un transformador de terra?

Un transformador de terra, abreviado como "transformador de terra," pode clasificarse en imerso en óleo e seco segundo o medio de recheo; e en transformadores de terra trifásicos e monofásicos segundo o número de fases.

Diferenza entre os transformadores de terra e os transformadores convencionais

O obxectivo dun transformador de terra é crear un punto neutro artificial para conectar unha bobina supresora de arcos ou un resistor cando o sistema está conectado en configuración delta (Δ) ou estrela (Y) sen un punto neutro accesible. Estes transformadores usan conexións de enrollamento zig-zag (ou "tipo Z"). A diferenza clave co transformadores convencionais é que cada enrollamento de fase está dividido en dous grupos enrollados en direccións opostas no mesmo perno do núcleo magnético. Este deseño permite que o fluxo de secuencia cero fluea polo perno do núcleo, mentres que nos transformadores convencionais, o fluxo de secuencia cero viaxa por camiños de fuga. 

Por tanto, a impedancia de secuencia cero dun transformador de terra tipo Z é moi baixa (aproximadamente 10 Ω), mentres que a dun transformador convencional é moito máis alta. Segundo as rexulacións técnicas, cando se usa un transformador convencional para conectar unha bobina supresora de arcos, a capacidade da bobina non debe superar o 20% da capacidade nominal do transformador. En contraste, un transformador tipo Z pode levar unha bobina supresora de arcos ao 90%–100% da súa propia capacidade. Ademais, os transformadores de terra poden fornecer cargas secundarias e servir como transformadores de servizo de estación, ahorrando así custos de investimento.

Principio de funcionamento dos transformadores de terra

Un transformador de terra crea artificialmente un punto neutro con un resistor de terra, que xeralmente ten unha resistencia moi baixa (xeralmente requírese que sexa menor de 5 ohms). Ademais, debido ás súas características electromagnéticas, o transformador de terra presenta alta impedancia para as correntes de secuencia positiva e negativa, permitindo que só unha pequena corrente de excitación flua nos enrollamentos. En cada perno do núcleo, as dúas seccións de enrollamento están enrolladas en direccións opostas. Cando correntes de secuencia cero iguais fluen por estes enrollamentos no mesmo perno, exhiben baixa impedancia, resultando nunha mínima caída de tensión. 

Durante un fallo de terra, os enrollamentos transportan correntes de secuencia positiva, negativa e cero. O enrollamento presenta alta impedancia para as correntes de secuencia positiva e negativa, pero baixa impedancia para a corrente de secuencia cero porque, dentro da mesma fase, os dous enrollamentos están conectados en serie con polaridade oposta—os seus forzas electromotrices inducidas son iguais en magnitude pero opostas en dirección, cancelándose así mutuamente.

Muitos transformadores de terra úsanse só para proporcionar un punto neutro de baixa resistencia e non fornecen ningúnha carga secundaria; polo tanto, moitos están deseñados sen un enrollamento secundario. Durante a operación normal da rede, o transformador de terra funciona esencialmente nun estado sen carga. No entanto, durante un fallo, transporta a corrente de fallo só por un breve período. Nun sistema de terra de baixa resistencia, cando ocorre un fallo de terra monofásico, a protección de secuencia cero altamente sensible identifica e isola temporalmente rapidamente o alimentador defectuoso. 

O transformador de terra está activo só durante o breve intervalo entre a ocorrência do fallo e a operación da protección de secuencia cero do alimentador. Durante este tempo, a corrente de secuencia cero flue a través do resistor de terra neutral e o transformador de terra, seguindo a fórmula: IR = U / R₁, onde U é a tensión de fase do sistema e R₁ é a resistencia de terra neutral.

Consecuencias cando o arco de terra non pode extinguirse de forma fiable

• A extinción intermitente e a reignición do arco de terra monofásico xeran sobretensións de arco-terra con amplitudes que alcanzan ata 4U (onde U é a tensión de pico de fase) ou incluso máis altas, durando por períodos prolongados. Isto supón graves ameazas para o aislamento do equipo eléctrico, podendo causar roturas en puntos de aislamento débiles e levando a perdas significativas.

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

• Pódense producir sobretensións ferroresonantes, danando facilmente os transformadores de tensión e os pararrayos—potencialmente incluso causando explosións de pararrayos. Estas consecuencias amenazan gravemente a integridade do aislamento do equipo da rede e ponen en risco a segura operación de todo o sistema eléctrico.

Qué son as correntes de secuencia positiva, negativa e cero?

• Corrente de secuencia negativa: A fase A retarda a fase B en 120°, a fase B retarda a fase C en 120°, e a fase C retarda a fase A en 120°.

• Corrente de secuencia positiva: A fase A avanza a fase B en 120°, a fase B avanza a fase C en 120°, e a fase C avanza a fase A en 120°.

• Corrente de secuencia cero: As tres fases (A, B, C) están en fase—ningunha fase avanza ou retarda a outra.

Durante os fallos de cortocircuito trifásico e a operación normal, o sistema contén só componentes de secuencia positiva.
Durante os fallos de terra monofásico, o sistema contén componentes de secuencia positiva, negativa e cero.
Durante os fallos de cortocircuito bifásico, o sistema contén componentes de secuencia positiva e negativa.
Durante os fallos de cortocircuito bifásico a terra, o sistema contén componentes de secuencia positiva, negativa e cero.

Características de funcionamento dos transformadores de terra

O transformador de aterramento opera en condicións sen carga durante o funcionamento normal da rede e experimenta un sobrecarga a curto prazo durante fallos. En resumo, a función do transformador de aterramento é crear artificialmente un punto neutro para conectar unha resistencia de aterramento. Durante un fallo de aterramento, exhibe alta impedancia ás correntes de secuencia positiva e negativa, pero baixa impedancia á corrente de secuencia cero, asegurando o funcionamento fiable da protección contra fallos de aterramento.

Aterramento Neutral mediante Sistemas de Bobinas de Supresión de Arco

Cando ocorre un fallo de aterramento monofásico transitório na rede debido a unha mala aislación do equipo, danos externos, erro do operador, sobrexuntada interna ou calquera outra causa, a corrente de fallo de aterramento fluye a través da bobina de supresión de arco como corrente inductiva, que é oposta en dirección á corrente capacitiva. Isto pode reducir a corrente no punto de fallo a un valor moi pequeno ou incluso a cero, extinguido así o arco e eliminando os perigos asociados. O fallo desaparece automaticamente sen activar a protección por relés ou o disparo do interruptor, mellorando significativamente a fiabilidade do suministro eléctrico.

Tres Modos de Operación de Compensación

Existen tres modos diferentes de operación de compensación: subcompensación, compensación completa e sobrecopensación.

• Subcompensación: A corrente inductiva despois da compensación é menor que a corrente capacitiva.

• Sobrecopensación: A corrente inductiva despois da compensación é maior que a corrente capacitiva.

• Compensación completa: A corrente inductiva despois da compensación é igual á corrente capacitiva.

Modo de Compensación Utilizado no Aterramento Neutral mediante Sistemas de Bobinas de Supresión de Arco

Nas sistemas con aterramento neutral a través dunha bobina de supresión de arco, debe evitarse a compensación completa. Independentemente da magnitude da tensión de desequilibrio do sistema, a compensación completa pode causar resonancia en serie, sometendo a bobina de supresión de arco a voltaxes perigosamente altos. Polo tanto, na práctica, utilízase subcompensación ou sobrecopensación, sendo a sobrecopensación o modo máis comúnmente utilizado.

Principais Razóns para Adoptar a Sobrecopensación

Nas sistemas subcompensados, poden ocorrer facilmente altas sobrexuntadas durante fallos. Por exemplo, se parte das liñas se desconectan debido a un fallo ou outras razóns, un sistema subcompensado pode desprazarse cara a unha compensación completa, causando resonancia en serie e resultando en unha tensión de desprazamento neutral moi alta e sobrexuntada. Un gran desprazamento neutral nos sistemas subcompensados tamén ameaza a integridade do aislamento, unha desvantaxe que non pode evitarse mentres se use subcompensación.

Durante o funcionamento normal dun sistema subcompensado con un importante desequilibrio trifásico, poden ocorrer moitas sobrexuntadas ferroresonantes moi altas. Este fenómeno deriva da resonancia ferromagnética entre a bobina de supresión de arco subcompensada (onde ωL > 1/(3ωC₀)) e a capacitancia da liña (3C₀). Esta resonancia non ocorre con sobrecopensación.

Os sistemas de enerxía continúan expandíndose, e a capacitancia da rede ao terreo aumenta en consecuencia. Con sobrecopensación, a bobina de supresión de arco orixinalmente instalada pode permanecer en servizo durante algún tempo, mesmo que eventualmente se desprace cara a unha subcompensación. No entanto, se o sistema comeza con subcompensación, calquera expansión require inmediatamente capacidade adicional de compensación.

Con sobrecopensación, a corrente que fluye polo punto de fallo é inductiva. Despois da extinción do arco, a taxa de recuperación da tensión da fase faltosa é máis lenta, facendo menos probable a reencendida do arco.

Baixo sobrecopensación, unha diminución da frecuencia do sistema só aumenta temporalmente o grao de sobrecopensación, o que non supón ningún problema durante o funcionamento normal. Por contra, a subcompensación combinada con unha frecuencia reducida pode levar o sistema próximo á compensación completa, provocando un aumento da tensión de desprazamento neutral.

Resumo

O transformador de aterramento tamén funciona como un transformador de servizo de estación, reducindo a tensión de 35 kV a 380 V de baixa tensión para abastecer de enerxía a cargas auxiliares xerais, iluminación de manutención, ventiladores SVG e carga de baterías.

Nas redes eléctricas modernas, os cabos están substituíndo ampliamente as liñas aéreas. Como a corrente de fallo de aterramento monofásico capacitiva das liñas de cabo é moito maior que a das liñas aéreas, o aterramento neutral a través de bobinas de supresión de arco adoita fallar na extinción do arco de fallo e na supresión de perigosas sobrexuntadas resonantes. Polo tanto, a nosa subestación adopta un esquema de aterramento neutral de baixa resistencia. Este enfoque é semellante aos sistemas de neutro solidamente aterrado e require a instalación de protección contra fallos de aterramento monofásico que funcione para disparar interruptores. Ao ocorrer un fallo de aterramento monofásico, a liña faltosa é rapidamente aislada.