¿Qué medidas de protección contra rayos se utilizan para los transformadores de distribución H61?

¿Qué medidas de protección contra rayos se utilizan para los transformadores de distribución H61?

Se debe instalar un pararrayos en el lado de alta tensión del transformador de distribución H61. Según SDJ7–79 "Código Técnico para el Diseño de la Protección contra Sobretensiones en Equipos Eléctricos," generalmente se debe proteger el lado de alta tensión de un transformador de distribución H61 con un pararrayos. El conductor de tierra del pararrayos, el punto neutro en el lado de baja tensión del transformador y la carcasa metálica del transformador deben estar conectados juntos y anclados a tierra en un punto común. Este método también se recomienda en DL/T620–1997 "Protección contra Sobretensiones y Coordinación de Aislamiento para Instalaciones Eléctricas de CA," emitido por el antiguo Ministerio de Electricidad.

Sin embargo, investigaciones extensivas y experiencia operativa han demostrado que, incluso con pararrayos instalados solo en el lado de alta tensión, aún ocurren daños en los transformadores bajo condiciones de impulso de rayo. En áreas generales, la tasa de fallos anual es de aproximadamente el 1%; en zonas de alta actividad eléctrica, puede alcanzar alrededor del 5%; y en regiones extremadamente propensas a los rayos, con más de 100 días de tormenta por año, la tasa de fallos anual puede ser tan alta como el 50%. La causa principal son las llamadas "sobretensiones de transformación directa e inversa" inducidas por los impulsos de rayo que ingresan al devanado de alta tensión del transformador de distribución. Los mecanismos de estas sobretensiones son los siguientes:

1. Sobretensión de Transformación Inversa
Cuando un impulso de rayo invade desde el lado de alta tensión de 3–10 kV y hace que el pararrayos opere, fluye una gran corriente de impulso a través de la resistencia de tierra, creando una caída de tensión. Esta caída de tensión aparece en el punto neutro del devanado de baja tensión, elevando su potencial. Si la línea de baja tensión es relativamente larga, se comporta como una impedancia de onda a tierra. Bajo la influencia de este potencial elevado del punto neutro, fluye una gran corriente de impulso a través del devanado de baja tensión. Las corrientes de impulso trifásicas son iguales en magnitud y dirección, generando un fuerte flujo magnético de secuencia cero.

Este flujo induce un pulso de tensión muy alto en el devanado de alta tensión según la relación de vueltas del transformador. Estos tres pulsos de tensión inducidos son iguales en magnitud y dirección. Dado que el devanado de alta tensión generalmente está conectado en configuración estrella con un punto neutro no anclado, aunque aparecen altas tensiones de pulso, no fluye una corriente de impulso correspondiente en el devanado de alta tensión para contrarrestar el efecto de magnetización. Por lo tanto, toda la corriente de impulso en el devanado de baja tensión actúa como corriente de magnetización, produciendo un flujo de secuencia cero intenso e induciendo potenciales extremadamente altos en el lado de alta tensión. 

Dado que el potencial del terminal de alta tensión está limitado por el voltaje residual del pararrayos, este potencial inducido se distribuye a lo largo del devanado, alcanzando su máximo en el extremo neutro. Como consecuencia, el aislamiento del punto neutro es propenso a romperse. Además, los gradientes de tensión entre capas y vueltas aumentan significativamente, lo que puede causar fallas de aislamiento en otras ubicaciones. Este tipo de sobretensión se origina por un impulso entrante del lado de alta tensión y se acopla electromagnéticamente de vuelta al devanado de alta tensión a través del devanado de baja tensión, comúnmente conocido como "transformación inversa."

2. Sobretensión de Transformación Directa
La sobretensión de transformación directa ocurre cuando un impulso de rayo ingresa a través de la línea de baja tensión. Entonces, fluye una corriente de impulso a través del devanado de baja tensión, induciendo una tensión en el devanado de alta tensión según la relación de vueltas, lo que eleva enormemente el potencial en el punto neutro de alta tensión. Esto también aumenta los gradientes de tensión entre capas y vueltas. Este proceso, donde un impulso del lado de baja tensión induce sobretensión en el lado de alta tensión, se llama "transformación directa." Pruebas muestran que cuando un impulso de 10 kV ingresa al lado de baja tensión y la resistencia de tierra es de 5 Ω, el gradiente de tensión entre capas en el devanado de alta tensión puede superar la resistencia a la sobretensión de onda completa del aislamiento entre capas en más del 100%, causando inevitablemente un fallo de aislamiento.

Por lo tanto, también se deben instalar pararrayos de válvula ordinaria u óxido metálico en el lado de baja tensión del transformador de distribución H61. En este esquema de protección, los conductores de tierra de ambos pararrayos de alta y baja tensión, el punto neutro de baja tensión y la carcasa metálica del transformador están todos conectados juntos y anclados a tierra en un solo punto (también referido como "conexión de cuatro puntos" o "tierra de tres en uno").

La experiencia operativa y los estudios experimentales indican que, incluso para transformadores de distribución con buen aislamiento, aún ocurren fallos inducidos por rayos debido a sobretensiones de transformación directa e inversa cuando se instalan pararrayos solo en el lado de alta tensión. Esto se debe a que los pararrayos del lado de alta tensión no pueden suprimir las sobretensiones de transformación directa o inversa. El gradiente de tensión entre capas bajo estas sobretensiones es proporcional al número de vueltas y depende de la distribución del devanado; el fallo de aislamiento puede ocurrir en el comienzo, medio o final del devanado, pero el final es el más vulnerable. La instalación de pararrayos en el lado de baja tensión puede limitar eficazmente ambas sobretensiones de transformación directa e inversa a un rango seguro.

Otro método de protección es la puesta a tierra separada para los lados de alta y baja tensión. En esta configuración, el pararrayos de alta tensión está anclado a tierra de manera independiente, no se instala ningún pararrayos en el lado de baja tensión, y el punto neutro de baja tensión y la carcasa del transformador están unidos y anclados a tierra de manera separada del sistema de puesta a tierra de alta tensión.

Este método aprovecha el efecto atenuante de la tierra sobre las ondas de rayo para eliminar esencialmente la sobretensión de transformación inversa. En cuanto a la sobretensión de transformación directa, cálculos muestran que reducir la resistencia de tierra de baja tensión de 10 Ω a 2.5 Ω puede disminuir la sobretensión de transformación directa de alta tensión en aproximadamente el 40%. Con un tratamiento adecuado del electrodo de tierra de baja tensión, la sobretensión de transformación directa puede eliminarse por completo.

Este esquema de protección es simple y económico, aunque exige mayores requisitos para la resistencia a tierra de baja tensión, lo que le da un cierto valor práctico para una aplicación más amplia.

Además de los métodos anteriores, otras medidas de protección contra rayos para transformadores de distribución incluyen instalar un devanado de equilibrio en el núcleo del transformador para suprimir las sobretensiones de transformación directa e inversa, o incrustar directamente dentro del transformador pararrayos de óxido metálico.