Análisis de la Tecnología de Protección contra la Fuga a Tierra de los Transformadores en Sitios de Construcción

Actualmente, China ha logrado ciertos avances en este campo. La literatura relevante ha diseñado esquemas de configuración típicos para la protección contra fallos de tierra en los sistemas de distribución de baja tensión de las centrales nucleares. Basándose en el análisis de casos nacionales e internacionales donde los fallos de tierra en los sistemas de distribución de baja tensión de las centrales nucleares han causado mal funcionamiento de la protección de secuencia cero de los transformadores, se han identificado las causas subyacentes. Además, se han propuesto sugerencias de mejora para las medidas de protección contra fallos de tierra en los sistemas de alimentación auxiliar de las centrales nucleares basadas en estos esquemas de configuración típicos.

La literatura relacionada ha estudiado los patrones de variación de la corriente diferencial y la corriente de restricción, y a través del cálculo de la relación entre la corriente diferencial y la corriente de restricción, se ha realizado un análisis cuantitativo sobre la adaptabilidad de la protección de diferencia de relación de los transformadores principales bajo tales condiciones de fallo.

Sin embargo, los métodos mencionados anteriormente aún enfrentan numerosos problemas que necesitan resolución urgente. Por ejemplo, una resistencia de tierra excesiva, una selección inadecuada de métodos de tierra, y medidas de protección contra rayos insuficientes—estos problemas pueden llevar a fallos de transformadores e incluso desencadenar accidentes de seguridad. Por lo tanto, es necesario realizar investigaciones y análisis más profundos sobre tecnologías de protección de tierra de transformadores en sitios de construcción, incorporando los últimos hallazgos de investigación y desarrollos tecnológicos.

A través de esta investigación, no solo se puede mejorar el nivel teórico de la tecnología de protección de tierra de transformadores, sino también proporcionar soluciones y medidas prácticas y factibles para proyectos de construcción reales. Se espera que esta investigación pueda atraer más atención y énfasis de los académicos sobre las tecnologías de protección de tierra de transformadores en sitios de construcción, promoviendo colectivamente el desarrollo de este campo.

1 Determinación de Métodos de Tierra de Transformadores

El método tradicional de tierra directa del punto neutro del transformador puede causar corrientes de cortocircuito excesivas bajo ciertas condiciones, lo que potencialmente puede dañar el equipo. Por lo tanto, se propone un método de tierra de baja resistencia del punto neutro. La tierra de baja resistencia del punto neutro es un enfoque efectivo de tierra de transformador que logra un control eficaz de la corriente de tierra del transformador al conectar una resistencia baja entre el punto neutro del transformador y la tierra. Este método de tierra no solo puede regular la magnitud de la corriente de tierra y reducir el impacto de los rayos y sobretensiones en los transformadores, mejorando así la estabilidad operativa, sino que también puede limitar las corrientes de cortocircuito y reducir el riesgo de daño al equipo.

Específicamente, al implementar la tierra de baja resistencia del punto neutro para transformadores en sitios de construcción, el primer paso es determinar el valor apropiado de la resistencia de tierra. Según la ley de Ohm, el valor de la resistencia de tierra es inversamente proporcional a la corriente de tierra y al voltaje de tierra. Por lo tanto, al seleccionar el valor de la resistencia de tierra para el método de tierra de baja resistencia del punto neutro, primero debe determinarse el valor de la resistencia, con la fórmula de cálculo como sigue:

En la fórmula, R₀ representa el valor de resistencia del resistor de tierra; U₀ representa el voltaje nominal promedio del sistema eléctrico en construcción; I₀ representa la corriente que fluye a través del resistor del punto neutro. Según el cálculo en la fórmula (1), se debe seleccionar un valor de resistencia de tierra apropiado que pueda limitar eficazmente la corriente de cortocircuito mientras evita un impacto excesivo en el transformador.

A continuación, se determinan parámetros como el área de sección transversal y el material del cable de tierra. El material del cable de tierra debe poseer excelentes propiedades de conductividad y resistencia a la corrosión para garantizar su vida útil y confiabilidad. Este estudio considera comprehensivamente las condiciones reales de la tierra de transformadores en sitios de construcción y selecciona el cable de cobre estañado como conductor de tierra—un material con buena conductividad, fácil de instalar y con fuertes capacidades anticorrosivas, que cumple plenamente con los requisitos del método de tierra de baja resistencia del punto neutro.

El área de sección transversal del cable de tierra afecta directamente su valor de resistencia, lo que a su vez influye en la corriente de tierra. Por lo tanto, se selecciona el área de sección transversal adecuada del cable de tierra basándose en la siguiente fórmula:

En la fórmula, S representa el área de sección transversal del cable de tierra en el método de tierra de baja resistencia del punto neutro; η representa el coeficiente de relación entre la resistencia de tierra del punto neutro y la resistencia de tierra del transformador; T representa el aumento de temperatura permitido del cable de tierra. Finalmente, se debe determinar la profundidad de enterramiento del electrod de tierra. Para garantizar la operación estable del electrod de tierra en entornos adversos, su profundidad de enterramiento debe superar el espesor de la capa de suelo congelado en el sitio de construcción, garantizando de manera integral la confiabilidad y seguridad del sistema de tierra.

En resumen, al implementar la tierra de transformadores en sitios de construcción, se adopta un método de tierra de baja resistencia del punto neutro, con ajustes razonables de los parámetros de tierra, incluyendo el valor de resistencia, el área de sección transversal del cable de tierra, la selección de material y la profundidad de enterramiento del electrod de tierra, proporcionando una base sólida para la operación estable de los transformadores durante la construcción.

2 Diseño del Esquema de Protección de Tierra de Transformadores

De acuerdo con el contenido anterior, en la tecnología de protección de tierra de transformadores para sitios de construcción se adopta el método de tierra de baja resistencia en el punto neutro. Este método de tierra controla principalmente la corriente de tierra del transformador de manera efectiva a través de una resistencia baja. Durante la operación del transformador, pueden ocurrir varios tipos de fallas, siendo la más común la falla de tierra unifásica. Una falla de tierra unifásica se refiere a un cortocircuito entre uno de los devanados de fase del transformador y la tierra, mientras que las otras dos fases continúan funcionando normalmente. Esta falla provoca cambios en el potencial del punto neutro del transformador, lo que lleva a un desequilibrio en las corrientes trifásicas. Utilizando esta característica, se propone un esquema de protección basado en el desequilibrio de corriente trifásica en transformadores:

Primero está la protección de la sección I de secuencia cero, cuya fórmula de cálculo se presenta a continuación:

En la fórmula, I₁ representa el valor de corriente de operación de la protección de secuencia cero de los transformadores en construcción; γ₁ representa el coeficiente de confiabilidad; γ₂ representa el coeficiente de rama de secuencia cero; I₂ representa el valor de corriente de operación de la protección de secuencia cero de los componentes adyacentes de los transformadores en construcción. Después de calcular el valor de corriente para la protección de la sección I de secuencia cero según la fórmula (3), el tiempo de operación para la protección de la sección I generalmente se establece para ser aproximadamente 0.5 segundos más largo que el tiempo de operación de la protección de secuencia cero del siguiente nivel.

A continuación está la protección de la sección II de secuencia cero. La fórmula de cálculo para su valor de corriente de protección es la misma que para la protección de la sección I de secuencia cero, es decir, la corriente de protección también se obtiene según la fórmula (3), pero el tiempo de operación difiere, requiriendo un aumento de aproximadamente 0.3 segundos basado en el tiempo de operación de la protección de la sección I de secuencia cero.

Finalmente, está la protección de voltaje de secuencia cero. Considerando que durante las fallas de tierra unifásica en los transformadores en los sitios de construcción, el punto neutro puede perder su sensibilidad inherente, el voltaje de operación de la protección de voltaje de secuencia cero debe estar por debajo del voltaje de secuencia cero máximo que aparece en el punto de instalación de la protección durante las fallas de tierra unifásica. El valor del voltaje de protección de voltaje de secuencia cero se determina principalmente según la siguiente fórmula:

En la fórmula, U₁ representa el voltaje de operación de la protección de voltaje de secuencia cero; U₂ representa el voltaje nominal de los tres devanados secundarios.

En resumen, para formar un esquema completo de protección de desequilibrio de corriente trifásica, se requieren una serie de cálculos complejos, incluyendo fórmulas de cálculo para la protección de la sección I de secuencia cero, la protección de la sección II de secuencia cero y la protección de voltaje de secuencia cero. La derivación y aplicación de estas fórmulas ayudarán a determinar con mayor precisión el tipo y la gravedad de las fallas de tierra unifásica en los sitios de construcción. Este esquema de protección no solo puede localizar e aislar rápidamente las fallas de tierra, sino que también reduce la probabilidad de incidentes de interrupción de energía causados por fallas de tierra. Al mismo tiempo, combinado con el método de tierra de baja resistencia en el punto neutro, se forma una estructura de protección de tierra integral para transformadores en construcción, proporcionando una fuerte protección para la operación segura de los transformadores.

3 Análisis experimental

Para verificar la efectividad de la tecnología de protección de tierra de transformadores mencionada anteriormente en los sitios de construcción, este capítulo utilizará el software de simulación de sistemas de energía PowerFactory para realizar experimentos de simulación de protección de tierra de transformadores. Primero, se establece un modelo de sistema eléctrico de edificio en el software de simulación, que incluye principalmente transformadores, líneas de alta y baja tensión, cargas y otros equipos. La tabla 1 presenta el modelo y las especificaciones de parámetros del transformador experimental.

La estructura específica del transformador se muestra en la Figura 1.

Luego, se realizaron experimentos de simulación de protección de tierra del transformador utilizando tres métodos de tierra diferentes: tierra de baja resistencia en el punto neutro, tierra de alta resistencia en el punto neutro y tierra con bobina de supresión de arco. Al establecer los métodos de tierra, para el método de tierra de baja resistencia en el punto neutro, se seleccionó un resistor con un valor de resistencia pequeño, específicamente ajustado a 0,5 Ω, para simular el efecto de la tierra de baja resistencia; para el método de tierra de alta resistencia en el punto neutro, se seleccionó un resistor con un valor de resistencia mayor, ajustado a 10 Ω, para simular las características de la tierra de alta resistencia.

Durante el experimento, se simularon los niveles de corriente de tierra del transformador bajo fallos de tierra monofásicos. La ubicación específica del fallo se estableció en el punto medio de una línea de fase en el lado de baja tensión del transformador, con la resistencia del fallo ajustada a 100 Ω para simular la resistencia de tierra durante un fallo de tierra. En el proceso de simulación del fallo, se utilizó un sistema de adquisición de datos de alta tasa de muestreo para registrar los datos de corriente de tierra, con la frecuencia de muestreo ajustada a 1000 veces por segundo para asegurar la captura de cambios sutiles en la corriente de tierra.

Además de registrar el valor de la corriente de tierra en el momento de la ocurrencia del fallo, se establecieron varios puntos de tiempo, incluyendo 0,1 s, 0,5 s, 1 s, 5 s y 10 s después de la ocurrencia del fallo, para observar los cambios en la corriente de tierra en diferentes puntos de tiempo. Para evitar la aleatoriedad en los resultados experimentales, se registraron 10 veces los datos de corriente de tierra, tomando el valor promedio como el resultado final del experimento. La Figura 2 proporciona una comparación de los efectos de protección de tierra del transformador bajo diferentes métodos de tierra.

Como se muestra en la Figura 2, el análisis de simulación comparó las características de la corriente de tierra de los transformadores bajo fallos monofásicos para los métodos de tierra de baja resistencia en el punto neutro, alta resistencia en el punto neutro y con bobina de supresión de arco. Los resultados indican que, durante un fallo de tierra monofásico en los transformadores, la corriente de tierra bajo el método de tierra de baja resistencia en el punto neutro es significativamente mayor que la corriente de tierra bajo los métodos de tierra de alta resistencia en el punto neutro y con bobina de supresión de arco.

Bajo la tecnología de protección de tierra diseñada, la corriente de tierra promedio del transformador fue de 70,11 A, lo que representa un aumento de 43,44 A y 21,62 A respectivamente en comparación con las tecnologías del grupo de control. Esto ayuda a reducir la intensidad del arco en el punto del fallo y acelera la capacidad de autocuración del fallo. Por lo tanto, la tecnología de protección de tierra diseñada es factible y confiable, adecuada para la aplicación práctica en fallos de tierra monofásicos de transformadores, protegiendo eficazmente la seguridad operativa de los transformadores en los sitios de construcción.

4.Conclusión

La tecnología de protección de tierra para transformadores en construcción propone un esquema de protección de sobrecorriente cero secuencial basado en el método de tierra de baja resistencia en el punto neutro. A través de experimentos comparativos, se ha verificado la superioridad de la tecnología de protección de tierra diseñada en la protección principal para fallos monofásicos de transformadores. Aunque se han logrado algunos avances en la investigación, aún existen ciertas limitaciones. Por ejemplo, las condiciones experimentales y las muestras de datos pueden no ser lo suficientemente completas, requiriendo una validación adicional de la universalidad de las conclusiones.

Las investigaciones futuras podrían centrarse en las siguientes áreas: en primer lugar, expandir el alcance de los experimentos e incrementar las muestras de datos para mejorar la precisión y la universalidad de las conclusiones; en segundo lugar, realizar estudios en profundidad sobre otros esquemas y tecnologías de protección para explorar métodos de protección de tierra de transformadores más eficientes y confiables; finalmente, desarrollar dispositivos y sistemas de protección de alto rendimiento en combinación con aplicaciones de ingeniería prácticas.