Análisis de un Accidente por Explosión de un Transformador de Voltaje de 35 kV

Los transformadores de voltaje (PTs) consisten en núcleos de hierro y bobinas, funcionando de manera similar a los transformadores pero con una capacidad pequeña. Convierten el alto voltaje a bajo voltaje para dispositivos de protección, medición y contabilización, ampliamente utilizados en plantas/estaciones. Se clasifican por aislamiento: seco - tipo (≤6 kV), fundido - tipo (interior 3 - 35 kV), sumergido en aceite (exterior ≥35 kV) y lleno de gas SF₆ (para aparatos combinados).

Durante la operación de la subestación, aún ocurren accidentes por resonancia electromagnética o envejecimiento del aislamiento de los PT. Por ejemplo, en marzo de 2015, un PT de línea entrante de 35 kV en una planta termoeléctrica explotó debido al envejecimiento del aislamiento, causando un corte de energía en las barras de 35 kV I y II. Análisis después de la investigación en el lugar:

1 Modo de Operación Antes del Fallo

El estado del sistema de la planta antes del fallo se muestra en la Figura 1.

La subestación recibe energía de dos líneas entrantes de 35 kV (Línea Jingdian 390, Línea Jingre 391). Sus interruptores están cerrados, conectándose a las barras de 35 kV Sección I y II. Estas barras usan cableado de barra simple dividida. Los pararrayos protegen el lado de suministro de energía; no existe protección de línea entrante del lado de la planta térmica. Enlaces de suministro de energía:

• Barra de 35 kV Sección I → transformador principal 3# → barra de 10 kV Sección I.

• Barra de 35 kV Sección II → transformador principal 4# → barra de 10 kV Sección II.

• Las barras de 10 kV Sección I y II funcionan en paralelo.

2. Investigación en el Sitio y Retrospección del Accidente

El personal de operación/mantenimiento encontró dos rastros de explosión:

• PT3 del lado de la Línea Jingdian 390 de 35 kV: Monitorea los voltajes de fase A/B. La explosión rompió su parte inferior, dejando marcas de quemaduras.

• Interruptor de entrada de la Línea Jingdian 390 de 35 kV: La corriente de cortocircuito causó la explosión. Los tornillos de la cabeza del cable se derritieron; los contactos/dedos estaban quemados/deformados.

2.1 Análisis de Datos de Voltaje de la Barra de 35 kV Sección II

Se recuperaron datos de registro de fallas de la barra de 35 kV Sección II para restaurar las formas de onda de voltaje, corriente y parámetros eléctricos durante el accidente. El análisis preciso de los datos traza el desarrollo del fallo, proporcionando evidencia clave para determinar la causa del accidente.

2.2 Desarrollo del Fallo y Análisis Eléctrico
(1)Distorsión de Voltaje Pre-Fallo

• 19.6 ms antes del fallo: La barra de 35 kV Sección II tiene voltajes trifásicos simétricos, con un voltaje de secuencia cero mínimo → equipos normales.

• 13.6 ms antes del fallo: Los voltajes de fase A/B caen a 49.0 V/43.1 V; la fase C salta a 71.8 V; el voltaje de secuencia cero aumenta a 22.4 V → daño en el aislamiento del transformador de voltaje.

• 1.6 ms antes del fallo: Los voltajes de fase A/B caen a 11.9 V/7.4 V; la fase C cae a 44.5 V; el voltaje de secuencia cero alcanza 23.5 V → empeora la degradación del aislamiento.

 (2)Ocurrencia del Fallo y Respuesta de Protección

Durante el fallo: El aislamiento de las fases A/B se rompe (corto a tierra); el voltaje de la fase C disminuye. 3 ms después, los voltajes trifásicos vuelven a cero; el PT explota → se determina como un cortocircuito trifásico a tierra.

Conclusión: Los voltajes de la barra antes del fallo eran normales (sin rayo/manipulación incorrecta → se excluye sobretensión por resonancia). La operación a largo plazo causó la degradación del aislamiento del transformador de voltaje → el daño interno del aislamiento llevó a un cortocircuito entre vueltas → evolucionó a un fallo de aislamiento trifásico/cortocircuito → se produjo un viaje de línea.

(3)Configuración y Acción de Protección

Los interruptores de línea entrante (Jingdian 390, Jingre 391) carecen de protección de entrada. La estación principal tiene protecciones con configuraciones idénticas:

• Protección diferencial: ajuste de 5 A, operación de 0 s.

• Protección rápida limitada en tiempo: ajuste de 21.2 A, operación de 1.1 s.

• Protección contra sobrecorriente: Se necesita un análisis adicional (ver Figura 2 para datos de registro de corriente de entrada, no proporcionados).

Después del fallo, las corrientes en ambas líneas se dispararon. Después de los transitorios, alcanzaron un estado estable:

• Línea Jingdian 390 de 35 kV: 14,116 A (corriente de fallo primaria en estado estable);

• Línea Jingre 391 de 35 kV: 10,920 A (corriente de fallo primaria en estado estable).

Operaciones de protección:

• Línea Jingdian 390 (lado de la estación principal remota): La protección diferencial actuó 268 ms después de la explosión. El fallo no se aisló ya que las barras de 35 kV Secciones I y II estaban en bucle.

• Línea Jingre 391 (lado de la estación principal remota): La protección rápida limitada en tiempo actuó 1,173 ms después de la explosión, aislando el fallo.

3 Análisis de Causas y Medidas Preventivas
3.1 Causas del Accidente

El transformador de voltaje electromagnético totalmente aislado, puesto en servicio en 2008, no tuvo mantenimiento ni pruebas eléctricas. La operación a largo plazo causó un fallo interno del aislamiento. Las causas principales son:

• Defectos de Producto : Diseño subestándar → aislamiento insuficiente, vida útil corta.

• Contaminación Ambiental : Suciedad en las mangas de porcelana → caída brusca de la resistencia de aislamiento en temporadas de lluvias, flashover y daño a largo plazo del aislamiento.

• Deterioro del Aceite Aislante : Mal sellado → ingreso de humedad, distorsión del campo eléctrico, reducción de la tensión soportada y propiedades dieléctricas del aceite.

• Envejecimiento y Impactos Externos : Envejecimiento térmico (condiciones ambientales, uso a largo plazo); envejecimiento mecánico (sobretensión de conmutación, corrientes de cortocircuito dañando el aislamiento).

3.2 Pruebas de Daño de Aislamiento

Las pruebas regulares de resistencia de aislamiento previenen fallos:

• Bobina Primaria : Usar un medidor de 2,500 V durante la entrega/reparación → resistencia de aislamiento ≥ 3,000 MΩ. En pruebas preventivas, la caída de resistencia ≤ 50% del valor inicial.

• Bobina Secundaria : Usar un medidor de 1,000 V durante la entrega/reparación → resistencia de aislamiento ≤ 10 MΩ.

3.3 Fallo Común: Sobretensión por Resonancia
Condiciones de Ocurrir :

• Los transformadores de voltaje electromagnéticos son inductores no lineales. El aumento de la corriente de excitación causa saturación ferromagnética → caída de inductancia (causa principal de la resonancia).

• La resonancia requiere capacitancia/inductancia coincidentes (reactancia inductiva ≤ 100× reactancia capacitiva).

• Condiciones desencadenantes: conmutación de barras sin carga, eliminación repentina de falla a tierra, rayo, sobretensión de conmutación, etc.

Prevenciones : Conectar a tierra los neutros de los transformadores de voltaje a través de eliminadores armónicos + pequeñas resistencias; instalar dispositivos de eliminación de armónicos en los deltas abiertos de los transformadores de voltaje de la barra.

4. Conclusión

El envejecimiento del aislamiento en los transformadores de voltaje causa fallos y cortes de barras – común en redes. Siga estrictamente las regulaciones de pruebas preventivas, pruebe/reemplace equipos no calificados. En este accidente, las líneas entrantes de la planta termoeléctrica sin protección y el fallo del interruptor de conexión de la barra 35 kV #1 ampliaron el fallo. Realice comprobaciones regulares de la configuración y confiabilidad de la protección. El análisis de accidentes ayuda a identificar rápidamente problemas, tomar acciones dirigidas, reducir riesgos de fallos y aumentar la confiabilidad de la subestación.