¿Cuáles son los modos de conexión a tierra del punto neutro y los métodos de protección de los transformadores en las redes eléctricas?
Modos de Aterrizaje del Punto Neutro y Protección de Transformadores en Redes Eléctricas
Para sistemas que van desde 110 kV hasta 500 kV, se debe adoptar un método de aterrizaje efectivo. Específicamente, bajo todas las condiciones de operación, la relación de reactancia cero secuencia a reactancia positiva secuencia X0/X1 del sistema debe ser un valor positivo y no exceder 3. Al mismo tiempo, la relación de resistencia cero secuencia a reactancia positiva secuencia R0/X1 también debe ser un valor positivo y no exceder 1.
En los sistemas de 330 kV y 500 kV, los puntos neutros de los transformadores están conectados directamente a tierra.
En las redes eléctricas de 110 kV y 220 kV, los puntos neutros de la mayoría de los transformadores están conectados directamente a tierra. Para algunos transformadores, sus puntos neutros están conectados a tierra a través de brechas, pararrayos, o una combinación en paralelo de brechas y pararrayos.
Para limitar la corriente de cortocircuito monofásico en la red eléctrica, se puede aplicar un aterrizaje de baja reactancia a los puntos neutros de los transformadores con una tensión nominal de 110 kV o superior.
Protección del Punto Neutro de Transformadores de 110 kV y 220 kV
Para limitar la corriente de cortocircuito monofásico, evitar interferencias de comunicación y satisfacer los requisitos para la configuración y ajuste de la protección por relés, el punto neutro de un transformador está conectado directamente a tierra. Para el resto de los transformadores, sus puntos neutros están conectados a tierra a través de pararrayos, brechas de protección, o una conexión en paralelo de pararrayos y brechas de protección.
La mayoría de los transformadores emplean un esquema de protección que combina pararrayos con brechas de descarga. La brecha de descarga generalmente utiliza una estructura de varilla a varilla, y la mayoría de los pararrayos están configurados como pararrayos de óxido de zinc.
División de Protección para Brechas en Paralelo con Pararrayos
Las sobretensiones de frecuencia de red y de conmutación son manejadas por las brechas, mientras que las sobretensiones por rayo y transitorias son soportadas por los pararrayos. Simultáneamente, las brechas sirven para limitar las sobretensiones de frecuencia de red de alta amplitud y los voltajes residuales excesivamente altos que podrían ocurrir en los pararrayos. Este enfoque no solo protege el punto neutro del transformador, sino que también logra una protección mutua.
Protección por Pararrayos de Óxido Metálico
Cuando ocurre un cortocircuito monofásico y una pérdida de tierra, la sobretensión resultante puede dañar o incluso causar la explosión del pararrayos.
Protección por Brechas de Varilla a Varilla
Este tipo de protección adopta una instalación de tipo dividido. En la práctica, el ajuste de la distancia tiende a ser inexacto, y la concetría suele ser pobre. Después de la descarga, el arco generado erosionará los electrodos. Bajo impulsos de rayo, se producen ondas truncadas, que representan una amenaza para la seguridad de la aislación del equipo. La brecha de protección no puede extinguir el arco por sí misma. En su lugar, se requiere la protección por relés para interrumpir el arco, lo que puede llevar a una mala operación de la protección por relés.
Protección en Paralelo por Pararrayos y Brechas
Los requisitos de coordinación entre el nivel de protección del pararrayos, las características de funcionamiento de la brecha de varilla y el nivel de aislación del punto neutro del transformador son extremadamente estrictos y difíciles de lograr en la práctica.
Protección por Brechas Compuestas
Se utilizan aisladores compuestos para soporte mecánico. Los electrodos de alta y baja tensión están fijados en ambos extremos del aislador, y los electrodos de la brecha tienen forma de cuernos de cabra. Sus electrodos de descarga y encendido de arco están separados. Ofrece ventajas como buena concetría, determinación precisa de la distancia, instalación y puesta en marcha conveniente, fuerte resistencia a la ablación y tensión de descarga estable. Supera las desventajas inherentes de las brechas de varilla de instalación dividida y es más adecuada para proteger el punto neutro de los transformadores.
Principios de Protección
Bajo la acción de la sobretensión por rayo, la brecha debe romperse para proteger el aislamiento del punto neutro del transformador. Su tensión de descarga de impulso de rayo debe estar coordinada con el nivel de resistencia al impulso de rayo del punto neutro del transformador.
Cuando ocurre un fallo de tierra monofásico en el sistema, el aislamiento del punto neutro debe ser capaz de soportar la sobretensión generada por el fallo, y la brecha no debe romperse para prevenir una mala operación de la protección por relés. Cuando ocurre un fallo de tierra monofásico en el sistema acompañado de una pérdida de tierra del punto neutro, o cuando el sistema experimenta operaciones no trifásicas, fallos de resonancia, etc., que llevan a una sobretensión de frecuencia de red que excede cierta amplitud, la brecha debe romperse para clavar el punto neutro del sistema y limitar la sobretensión en el punto neutro del transformador.
Protección por Brechas Controlables
Una brecha controlable consiste principalmente en una brecha fija, una brecha de control y un circuito de igualación de tensión capacitivo. La brecha de cuernos de cabra funciona como la brecha fija, y se utiliza un interruptor de vacío para controlar la ruptura automática de la brecha controlable.
La brecha controlable se utiliza en paralelo con el pararrayos. Bajo sobretensiones por rayo y transitorias, el pararrayos opera para limitar la sobretensión, y la brecha controlable permanece inactiva. Cuando ocurre un fallo de tierra monofásico en el sistema, esta sobretensión no representa una amenaza para el aislamiento del punto neutro, por lo que la brecha controlable no opera.
Cuando ocurre una sobretensión de frecuencia de red (como un fallo de tierra monofásico y pérdida de tierra en un sistema aislado sin aterrizaje o operación no trifásica), la brecha controlable se activa para proteger el aislamiento del punto neutro del transformador y el pararrayos.
La brecha controlable resuelve eficazmente los problemas existentes en las brechas, pararrayos y la protección en paralelo de brechas de varilla y pararrayos. La conexión en paralelo de la brecha controlable y el pararrayos puede proteger eficazmente el punto neutro del transformador.
