Que medidas de protección contra rayos se utilizan para los transformadores de distribución H61

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

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

Sin embargo, extensas investigaciones y experiencias operativas han demostrado que incluso con pararrayos instalados solo en el lado de alta tensión, aún se produce daño en los transformadores bajo condiciones de impulso por rayo. En áreas generales, la tasa anual de fallos es de alrededor del 1%; en áreas de alta actividad eléctrica, puede alcanzar alrededor del 5%; y en regiones extremadamente propensas a rayos con más de 100 días de tormenta por año, la tasa anual de fallos 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 entran en el 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 opere el pararrayos, 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 hacia 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 una tensión de pulso muy alta en el devanado de alta tensión según la relación de vueltas del transformador. Estas tres fases de tensión de pulso inducida son iguales en magnitud y dirección. Dado que el devanado de alta tensión está típicamente conectado en configuración estrella con un punto neutro no aterrizado, aunque aparecen altas tensiones de pulso, no fluye ninguna 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 fuerte flujo de secuencia cero 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, pudiendo causar fallos de aislamiento en otras ubicaciones. Este tipo de sobretensión se origina desde 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—conocido comúnmente como "transformación inversa."

2. Sobretensión de Transformación Directa
La sobretensión de transformación directa ocurre cuando un impulso de rayo entra 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 del 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 entra por el 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 al impulso completo 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 o de 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, el punto neutro de baja tensión y la carcasa metálica del transformador están todos conectados juntos y aterrizados en un solo punto (también conocido como "aterrizaje de cuatro puntos" o "aterrizaje de tres en uno").

La experiencia operativa y los estudios experimentales indican que, incluso para transformadores de distribución con buen aislamiento, aún se producen fallos inducidos por rayos debido a sobretensiones de transformación directa e inversa cuando los pararrayos se instalan 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 tanto las sobretensiones de transformación directa como inversa a un rango seguro.

Otro método de protección es la aterrización separada para los lados de alta y baja tensión. En esta configuración, el pararrayos de alta tensión se aterra de forma independiente, no se instala ningún pararrayos en el lado de baja tensión, y el punto neutro de baja tensión y la carcasa del transformador se conectan juntos y se aterrizan de forma separada del sistema de aterrización de alta tensión.

Este método aprovecha el efecto de atenuación de la tierra sobre las ondas de rayo para eliminar esencialmente la sobretensión de transformación inversa. En cuanto a la sobretensión de transformación directa, los 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 aproximadamente en un 40%. Con un tratamiento adecuado del electrodo de aterrización de baja tensión, la sobretensión de transformación directa puede eliminarse por completo.

Este esquema de protección é simple e económico, aínda que imponga requisitos máis elevados á resistencia de aterramento de baixa tensión, o que lle confere un valor práctico para unha aplicación máis ampla.

Ademais dos métodos anteriores, outras medidas de protección contra os raíos para transformadores de distribución inclúen a instalación dun enrolamento de equilibrio no núcleo do transformador para suprimir as sobretensións de transformación directa e inversa, ou a incorporación directa de pararrayos de óxido metálico dentro do transformador.