Que son os tipos e as características comúns de sobrexuración na rede de distribución

As redes de distribución, caracterizadas pola súa ampla distribución, gran número de equipos e baixo nivel de aislamento, son propensas a accidentes de aislamento causados por sobretensión. Isto non só reduce a estabilidade do sistema de distribución en seu conxunto e o rendemento do aislamento das liñas, senón que tamén ten un impacto significativamente adverso na operación segura da rede eléctrica e no desenvolvemento saudable e sostenible da industria eléctrica.

Dende un punto de vista de circuito, ademais da fonte de enerxía, o sistema eléctrico pode ser representado equivalentemente por diferentes combinacións de tres componentes típicos: resistencia (R), indutancia (L) e capacitancia (C). Entre eles, a indutancia (L) e a capacitancia (C) son componentes de almacenamento de enerxía, que son as condicións básicas para a formación de sobretensión; a resistencia (R) é un componente consumidor de enerxía, que xeralmente pode inhibir o desenvolvemento de sobretensión. No entanto, en casos individuais, a adición inapropiada de resistencia tamén pode levar á ocurrencia de sobretensión.

Tipos e Características Comúns de Sobretensión nas Redes de Distribución

Os tipos comúns de sobretensión nas redes de distribución inclúen principalmente sobretensión de arco intermitente a terra, sobretensión de resonancia linear e sobretensión de ferroresonancia (incluíndo sobretensión de resonancia de desconexión e sobretensión de saturación de PT).

Sobretensión de Arco Intermitente a Terra

A sobretensión de arco intermitente a terra é un tipo de sobretensión de conmutación. A súa amplitud está relacionada con factores como as características dos equipos eléctricos, a estrutura do sistema, os parámetros de funcionamento, as formas de operación ou fallo, e ten unha obvia aleatoriedade. É máis común en redes eléctricas con punto neutro non eficazmente aterrado.

A enerxía da sobretensión de conmutación provén do propio sistema eléctrico, e a súa amplitud é aproximadamente proporcional ao voltaxe nominal do sistema. Xeralmente exprésase polo múltiplo da amplitud máxima do voltaxe de fase de operación do sistema. Cando as operacións ou fallos provocan cambios no estado de funcionamento da rede eléctrica, a enerxía magnética almacenada nos componentes inductivos converteuse na enerxía eléctrica dos componentes capacitivos nun determinado momento, resultando nun proceso transitorio oscilante, xerando así unha sobretensión transitoria varias veces maior que o voltaxe de alimentación, coñecida como sobretensión de conmutación.

Os arcos intermitentes provocan cambios repetidos no estado de funcionamento da rede eléctrica, levando a oscilacións electromagnéticas nos circuitos de indutancia e capacitancia, e despois ocorren procesos transitorios nas fases non defectuosas, fases defectuosas e punto neutro, resultando en sobretensión. Esta é a sobretensión de arco intermitente a terra (tamén coñecida como sobretensión de arco a terra). O seu mecanismo de formación está estreitamente relacionado coa extinción e reacendido do arco: cada vez que a corrente de fallo a terra cruza naturalmente cero, o arco terá un breve tempo de extinción; cando o voltaxe de recuperación do canal do arco é maior que a súa forza dieléctrica de recuperación, o arco reacenderase. Específicamente:

• Cando a corrente a terra é grande, o canal do arco está fortemente ionizado, e o arco quema establemente;

• Cando a corrente é pequena, a forza dieléctrica do canal do arco recupera rapidamente, o arco é difícil de reacender, e a extinción temporaria pode transformarse en extinción permanente;

• Cando a corrente é moderada, forma un fenómeno de arco intermitente a terra que se encende e apaga.

A sobretensión de arco a terra severa é causada pola acumulación continua de enerxía na rede eléctrica. Dende o punto de vista de limitar a sobretensión, se a carga excedente acumulada na rede eléctrica durante o proceso de ignición a extinción do arco puido escoarse a través da resistencia dentro dunha metade de ciclo de frecuencia de rede despois de que o arco se extingue, o voltaxe de desprazamento do punto neutro será case cero, e non se causará sobretensión de alta amplitud.

Sobretensión de Resonancia Linear

Na rede eléctrica, a sobretensión xerada pola resonancia en serie entre componentes inductivos sen núcleo de ferro (como a indutancia da liña, a indutancia de fuga do transformador, etc.) ou componentes inductivos con núcleo de ferro cuxas características de excitación son próximas a lineal (como bobinas de supresión de arco, etc.) e componentes capacitivos na rede eléctrica (como a capacitancia liña-terra, etc.) baixo a acción de voltaxe asimétrico chámase sobretensión de resonancia linear. A súa forma máis común é o desprazamento do voltaxe do punto neutro.

Segundo a norma industrial DL/T620-1997 "Protección contra Sobretensiones e Coordinación de Aislamiento de Dispositivos Eléctricos de Corriente Alterna", no sistema aterrado con bobina de supresión de arco, en condicións de funcionamento normal, o desprazamento de voltaxe a longo prazo do punto neutro non debe superar o 15% do voltaxe de fase nominal do sistema.

Sobretensión de Ferroresonancia

No circuito de oscilación do sistema eléctrico, a sobretensión persistente de alta amplitud excitada pola saturación da indutancia de núcleo de ferro chámase sobretensión de ferroresonancia. Hai dúas sobretensiones de ferroresonancia típicas nas redes de distribución por debaixo de 35kV, nomeadamente sobretensión causada por resonancia de desconexión e sobretensión causada por saturación de PT, coñecidas colectivamente como sobretensión de resonancia non lineal. Ten características e propiedades completamente diferentes da sobretensión de resonancia linear e da sobretensión de arco intermitente a terra. Baixas diferentes combinacións de parámetros, poden ocorrer sobretensiones de resonancia de frecuencia fundamental, frecuencia fraccionaria e alta frecuencia.

• Sobretensión de Resonancia de Desconexión: Cando o sistema está en funcionamento non trifásico debido a roturas de cable, acción non trifásica de interruptores, operación seriamente assíncrona, fusión dunha ou dúas fases de fusibles de alta tensión, etc., a sobretensión de ferroresonancia xerada é a sobretensión de resonancia de desconexión. Cando ocorre unha desconexión, o potencial simétrico trifásico xeralmente abastece cargas asimétricas trifásicas, e o circuito é complexo e contén componentes non lineares. Polo tanto, é necesario usar o teorema de Thevenin e o método de componentes simétricos para converter o circuito trifásico nun circuito equivalente monofásico, ordenalo no circuito LC en serie máis simple, e despois analizar as condicións de resonancia e realizar o cálculo e análise. Hai tres formas de fallos de desconexión dunha fase: desconexión sen aterrado, desconexión co lado de potencia aterrado, e desconexión co lado de carga aterrado.

• Sobretensión de Saturación de PT: No sistema con punto neutro non eficazmente aterrado, xeralmente están instalados transformadores de voltaje electromagnéticos (PT) conectados en Y0 nas barras de centrais eléctricas e subestacións para monitorizar as condicións de aislamento. Durante o funcionamento normal, a impedancia de excitación do transformador de voltaxe electromagnético é moi alta, polo que a impedancia a terra da rede é capacitiva, e as tres fases están basicamente equilibradas. No entanto, despois de algúns procedementos de conmutación ou a desaparición de fallos a terra, formará un circuito de resonancia trifásico ou monofásico especial coa capacitancia do cable ou a capacitancia parásita de outros equipos, e pode excitar sobretensiones de ferroresonancia de varios harmónicos, coñecida como sobretensión de saturación de PT. Entre eles, a sobretensión de resonancia de frecuencia fraccionaria é a máis perniciosa. Provocará un aumento significativo da corrente de excitación durante un período de tempo longo, queimará o fusible do transformador, e incluso fará que o transformador se sobrecalecente gravemente, emita óleo, ou incluso explote. Ademais, a sobretensión de saturación do transformador de voltaxe ten características de secuencia cero evidentes.

Sobretensión de Raio

A descarga de raio é esencialmente un fenómeno de descarga non espontánea nun campo eléctrico extremadamente desigual con un intervalo de aire ultra largo. O seu proceso básico inclúe descarga de líder, descarga principal e descarga de resplandor. Cada corrente de raio formada por raios de polaridade negativa ten unha forma de onda de pulso unipolar. Os parámetros principais que describen a forma de onda son o valor máximo, o tempo de fronte de onda e o tempo de semipeaka.

A sobretensión de raio divide-se en sobretensión directa de raio e sobretensión inducida de raio. Entre eles, a sobretensión inducida de raio inclúe componentes de indución electrostática (principalmente) e magnética, coas seguintes características:

• A polaridade é oposta á do nube de tronada, é dicir, oposta á polaridade da corrente de raio;

• Aparece simultaneamente nas tres fases con valores case iguais, e non habrá diferenza de potencial entre fases nin flashover entre fases;

• Se a amplitud é grande, pode causar flashover a terra;

• A forma de onda é máis plana e máis longa que a da sobretensión directa de raio;

• Se hai unha liña de protección contra raios aterrada por riba do cable, a sobretensión inducida no cable reducirase debido ao efecto de blindaxe electromagnético. Cuanto máis preto estea a distancia entre as liñas, maior será o coeficiente de acoplamento, e menor será a sobretensión inducida no cable.

Xeralmente, non se instalan liñas de protección contra raios ao longo de toda a liña para redes de distribución de 35kV e inferior, e só se establecen 1-2km de liñas de protección contra raios na entrada e saída de subestacións como protección de sección de entrada.