Mejora de la Lógica de Protección y Aplicación Ingenieril de los Transformadores de Tierra en Sistemas de Suministro Eléctrico para el Tránsito Ferroviario

1. Configuración del sistema y condiciones de operación
Los transformadores principales de la Subestación Principal del Centro de Convenciones y Exposiciones y la Subestación Principal del Estadio Municipal de Zhengzhou Rail Transit adoptan una conexión de bobinado en estrella/delta con un modo de operación de punto neutro no conectado a tierra. En el lado del bus de 35 kV, se utiliza un transformador de conexión zigzag, conectado a tierra a través de una resistencia de bajo valor, y también suministra las cargas de servicio de la estación. Cuando ocurre un fallo de cortocircuito a tierra de una fase en una línea, se forma una ruta a través del transformador de conexión, la resistencia de conexión a tierra y la malla de tierra, generando corriente de secuencia cero.

Esto permite que la protección de secuencia cero de alta sensibilidad y selectiva dentro de la sección con fallo opere de manera confiable e inmediata, accionando los interruptores correspondientes, lo que aísla el fallo y limita su impacto. Si el transformador de conexión a tierra se desconecta, el sistema se convierte en un sistema sin conexión a tierra. En esta condición, un fallo de conexión a tierra de una fase amenazaría severamente la aislación del sistema y la seguridad del equipo. Por lo tanto, cuando se opera la protección del transformador de conexión a tierra, no solo debe accionarse el propio transformador de conexión a tierra, sino que también debe accionarse de manera interconectada el transformador principal asociado.

2. Limitaciones de los esquemas de protección existentes
En los sistemas de alimentación de la Subestación Principal del Centro de Convenciones y Exposiciones y la Subestación Principal del Estadio Municipal de Zhengzhou Rail Transit, la protección existente para el transformador de servicio de conexión a tierra solo incluye protección contra sobrecorriente. Cuando un fallo causa que el transformador de conexión a tierra se accione y se retire del servicio, solo acciona su propio equipo de interruptores sin accionar de manera interconectada el interruptor de alimentación de entrada correspondiente.

Esto resulta en que la sección de bus afectada opere durante un período prolongado sin un punto de conexión a tierra. En caso de un fallo de conexión a tierra de una fase bajo tales condiciones, puede ocurrir sobre tensión o el sistema de protección puede no detectar la corriente de secuencia cero, causando que la protección de secuencia cero falle o no opere, potencialmente escalando el incidente y comprometiendo la seguridad general del sistema de energía.

Además, durante las operaciones de transferencia automática de bus (autoconmutación de bus), el transformador de servicio de conexión a tierra en la sección de bus desenergizada no se acciona de manera interconectada. Esto puede causar que ambas secciones de bus se interconecten a través del interruptor de acoplamiento de bus, resultando en una condición de doble conexión a tierra dentro del sistema. Tal escenario de doble conexión a tierra puede llevar a dos problemas graves: (1) clasificación incorrecta de la corriente de secuencia cero durante fallos de conexión a tierra, causando que la protección no opere o se accione falsamente; y (2) corrientes circulantes inducidas por la corriente de secuencia cero, llevando al sobrecalentamiento del equipo y daño a la aislación.

La lógica de protección actual tiene limitaciones significativas. Los dispositivos de protección convencionales solo monitorean el estado operativo del transformador de conexión a tierra y no establecen lógica de interconexión con los interruptores de alimentación de entrada o el interruptor de acoplamiento de bus, careciendo de mecanismos de bloqueo/interconexión necesarios.

3. Recomendaciones para mejorar las limitaciones de la protección existente

3.1 Medidas propuestas de mejora

Agregar lógica suave de “Interconexión de Accionamiento del Transformador de Servicio de Conexión a Tierra”

• Condición de activación: El interruptor del transformador de servicio de conexión a tierra se abre. Si el sistema utiliza conexión a tierra de baja resistencia, la desaparición de la corriente de la resistencia de conexión a tierra puede agregarse como criterio adicional.

• Diseño de lógica de interconexión de accionamiento: Accionar el interruptor de alimentación de entrada: Si el transformador de servicio de conexión a tierra se retira y no existe otro punto de conexión a tierra en la sección de bus, accionar de manera interconectada el interruptor de alimentación de entrada para forzar la transferencia de carga a otro bus. Accionar el interruptor de acoplamiento de bus: Si ambas secciones de bus están operando en paralelo a través del interruptor de acoplamiento de bus, accionar de manera interconectada el interruptor de acoplamiento de bus para aislar la sección de bus sin conexión a tierra.

• Recomendación de implementación técnica: Agregar protección de corriente de secuencia cero. Al operar por sobrecorriente o corriente de secuencia cero, el dispositivo de protección debe accionar su propio interruptor local y simultáneamente enviar comandos de interconexión de accionamiento a los interruptores de alimentación de entrada y de acoplamiento de bus correspondientes. Los fabricantes de dispositivos de protección deben modificar el diagrama de lógica de interconexión y realizar actualizaciones de software basadas en esta lógica.

3.2 Actualización de protección basada en tensión de secuencia cero

• Función de bloqueo/accionamiento por sobre tensión de secuencia cero: Agregar protección de sobre tensión de secuencia cero al esquema de protección del bus como respaldo cuando el transformador de servicio de conexión a tierra está fuera de servicio. Si la tensión de secuencia cero excede el umbral establecido por más tiempo que el retraso preestablecido, accionar automáticamente el interruptor de alimentación de entrada o el interruptor de acoplamiento de bus.

• Coordinación con el estado del transformador de conexión a tierra: Vincular la función de protección de tensión de secuencia cero con la señal de estado operativo del transformador de servicio de conexión a tierra: Cuando el transformador de conexión a tierra está operando normalmente, la protección de tensión de secuencia cero opera en modo de alarma. Cuando el transformador de conexión a tierra está fuera de servicio, la protección de tensión de secuencia cero cambia a modo de accionamiento.

• Notas de implementación – Medidas anti-maloperación: Agregar un retraso para evitar el accionamiento falso debido a perturbaciones transitorias. Usar criterios de lógica “AND” (por ejemplo, tensión de secuencia cero + estado de apagado del transformador de conexión a tierra) para aumentar la confiabilidad.

3.3 Modificación del circuito de control (mejora de hardware)

• Agregar circuitos de interconexión con cableado rígido entre el dispositivo de protección del transformador de servicio de conexión a tierra y el dispositivo de protección del interruptor de alimentación de entrada. Cuando el transformador de conexión a tierra se acciona, la señal de accionamiento desde la terminal de salida de su dispositivo de protección → activa la terminal de salida del dispositivo de protección del interruptor de alimentación de entrada → acciona el interruptor de alimentación de entrada.

• Durante la operación de transferencia automática del bus tie, cuando el dispositivo de protección del bus tie envía una señal para abrir el interruptor de alimentación entrante, simultáneamente envía una señal a través de su terminal de interbloqueo → al terminal de salida del dispositivo de protección del transformador de servicio de tierra → para abrir el interruptor del transformador de tierra.

3.4 Implementación de la modificación en sitio
Como se muestra en la Tabla 1, tanto la Opción 1 como la Opción 2 requieren la modificación y actualización de los dispositivos de protección. Sin embargo, las subestaciones principales del Centro de Convenciones y Exposiciones y del Estadio Municipal son subestaciones antiguas cuyo equipo está muy por fuera de la garantía. La implementación de la Opción 1 o la Opción 2 requeriría que el fabricante original del dispositivo de protección realizara actualizaciones de software, lo que implicaría una inversión significativa de mano de obra y financiera. Por lo tanto, el personal operativo ha optado por la Opción 3—realizar modificaciones en sitio mediante la adición de circuitos de interbloqueo con cableado rígido.

Cuando el transformador de tierra se desconecta debido a una falla, es necesario interrumpir en cadena el interruptor del alimentador de entrada de energía. Durante la inspección, se encontró que las salidas de repuesto 1, 2 y 3 no estaban siendo utilizadas. Al finalizar las operaciones de trenes, el personal de mantenimiento solicitó al despachador de equipos un permiso de trabajo ("solicitud de autorización de trabajo"). El despachador realizó la transferencia de carga según los requisitos operativos y aprobó el permiso de trabajo una vez que las condiciones fueran adecuadas para la construcción.

Para el circuito de interrupción en cadena: la salida de repuesto 2 (bornes 517/518) en la tarjeta de señal 5# del dispositivo de protección WCB-822C—contactos normalmente abiertos—se conectó en serie a un nuevo circuito de interrupción en cadena con cableado rígido. Este circuito luego se dirigió a los bornes normalmente abiertos de la salida 5 (bornes 13/14) en la tarjeta de salida 4# del dispositivo de protección WBH-818A para el armario de interruptor del alimentador de entrada. Después de la señal de salida desde la caja de conexiones, el interruptor del alimentador de entrada se desconectó. El cableado rígido se instaló entre el armario del transformador de tierra y el armario del alimentador de entrada, e integrado en el circuito de bloqueo con cableado rígido a través de un enlace físico de placa de presión. La activación o desactivación de esta placa de presión determina si la función de bloqueo está activa.

Los puntos de modificación para la otra sección de barras son idénticos a lo anterior. Durante la modernización de ambas secciones de barras, se utilizaron alimentadores de entrada seccionados para garantizar un suministro de energía ininterrumpido a las respectivas áreas de servicio, minimizando así el impacto en el mantenimiento del equipo post-operativo.

Una vez completadas las modificaciones, se realizaron pruebas de relés de protección para verificar la funcionalidad de la interrupción en cadena. Una vez verificado como normal, el sistema se puso directamente en servicio.

En cuanto a la interrupción en cadena del transformador de servicio de tierra de la barra desenergizada durante la operación de auto-transferencia de barras (BATS): durante la inspección, se encontró que las salidas de repuesto 3 a 7 no estaban siendo utilizadas. Al finalizar las operaciones de trenes, el personal de mantenimiento solicitó al despachador de equipos un permiso de trabajo. El despachador ejecutó el cambio de carga según las necesidades operativas y otorgó la aprobación una vez que se cumplieron las condiciones de construcción.

Para la modernización en sitio del transformador de servicio de tierra de la Sección I de la barra: se añadió un nuevo circuito con cableado rígido. La salida de repuesto 3 (bornes 519/520) en la tarjeta de señal 5# del dispositivo de protección WBT-821C—contactos normalmente abiertos—se conectó en serie al nuevo circuito con cableado rígido, que luego se dirigió a los bornes normalmente abiertos de la salida de repuesto 1 (bornes 514/515) en la tarjeta de salida 5# del dispositivo de protección WCB-822C en el armario del transformador de servicio de tierra de la Sección I. Después de la salida del terminal, el interruptor del transformador de tierra se desconectó. El nuevo circuito con cableado rígido se instaló en las puertas de los gabinetes secundarios tanto del armario del transformador de tierra como del armario del interruptor de acoplamiento, y se conectó al circuito de bloqueo con cableado rígido a través de un enlace físico de placa de presión. La función de bloqueo puede habilitarse o deshabilitarse mediante la activación o desactivación de la placa de presión.

Para la modernización en sitio del transformador de servicio de tierra de la Sección II de la barra: se añadió un nuevo circuito con cableado rígido. La salida de repuesto 4 (bornes 311/312) en la tarjeta de expansión 3# del dispositivo de protección WBT-821C—contactos normalmente abiertos—se conectó en serie al nuevo circuito con cableado rígido, que luego se dirigió a los bornes normalmente abiertos de la salida de repuesto 1 (bornes 514/515) en la tarjeta de salida 5# del dispositivo de protección WCB-822C en el armario del transformador de servicio de tierra de la Sección II. Después de la salida del terminal, el interruptor del transformador de tierra se desconectó. El nuevo circuito con cableado rígido se instaló en las puertas de los gabinetes secundarios tanto del armario del transformador de tierra como del armario del interruptor de acoplamiento, y se conectó al circuito de bloqueo con cableado rígido a través de un enlace físico de placa de presión. La función de bloqueo puede habilitarse o deshabilitarse mediante la activación o desactivación de la placa de presión.

La modificación de la señal de interrupción en cadena para el transformador de servicio de tierra en la barra desenergizada durante la puesta en marcha de la auto-transferencia de barras se completó durante el proceso de modernización de la sección de barras simple correspondiente.

4. Conclusión

Como punto neutro artificial introducido en sistemas de potencia con configuraciones de neutro no aterrizadas, el transformador de tierra juega un papel crucial en garantizar la seguridad y el funcionamiento estable del sistema. Las mejoras descritas anteriormente mejoran significativamente la seguridad del sistema cuando el transformador de tierra se retira del servicio, evitando eficazmente los riesgos de sobretensión y daños al equipo causados por operar sin un punto de tierra. Antes de la implementación real, se debe realizar una verificación detallada basada en los modelos específicos de equipos y parámetros del sistema.