Análise da Tecnoloxía de Protección a Terra dos Transformadores en Obras de Construción

Actualmente, China logrou certos avances neste campo. A literatura relevante diseña esquemas de configuración típicos para a protección contra fallos de aterramento nos sistemas de distribución de baixa tensión das centrais nucleares. Basándose na análise de casos domésticos e internacionais onde os fallos de aterramento nos sistemas de distribución de baixa tensión das centrais nucleares causaron un funcionamento incorrecto da protección de secuencia cero dos transformadores, identificáronse as causas subxacentes. Ademais, propuxéronse suxestións de mellora para as medidas de protección contra fallos de aterramento nos sistemas de enerxía auxiliar das centrais nucleares baseados nestes esquemas de configuración típicos.

A literatura relacionada estudou os patróns de variación da corrente diferencial e da corrente de restrición, e a través do cálculo da relación entre a corrente diferencial e a corrente de restrición, realizouse unha análise cuantitativa da adaptabilidade da protección de diferencia de razón do transformador principal baixo tales condicións de fallo.

No entanto, os métodos mencionados aínda se enfrentan a numerosos problemas que requiren resolución urgente. Por exemplo, a resistencia de aterramento excesiva, a selección inapropiada de métodos de aterramento e medidas de aterramento de protección contra raios inadequadas, todos estes problemas poden provocar fallos nos transformadores e mesmo desencadear accidentes de seguridade. Polo tanto, é necesario realizar unha investigación e análise máis en profundidade sobre as tecnoloxías de protección de aterramento de transformadores nos sitios de construción, incorporando os últimos resultados de investigación e desenvolvementos tecnolóxicos.

A través desta investigación, non só pode aumentarse o nivel teórico da tecnoloxía de protección de aterramento de transformadores, senón que tamén se poden proporcionar solucións e medidas prácticas e factibles para proxectos de construción reais. Espera-se que esta investigación atraiña máis atención e énfase por parte dos académicos sobre as tecnoloxías de protección de aterramento de transformadores nos sitios de construción, promovendo colectivamente o desenvolvemento deste campo.

1 Determinación dos métodos de aterramento de transformadores

O método tradicional de aterramento directo do punto neutro do transformador pode causar correntes de cortocircuito excesivas en determinadas condicións, potencialmente danando o equipo. Polo tanto, propónse un método de aterramento de baixa resistencia no punto neutro. O aterramento de baixa resistencia no punto neutro é un enfoque efectivo de aterramento de transformadores que logra un control efectivo da corrente de aterramento do transformador conectando unha baixa resistencia entre o punto neutro do transformador e a terra. Este método de aterramento non só pode regular a magnitude da corrente de aterramento e reducir o impacto do raio e a sobretensión nos transformadores, mellorando así a estabilidade operativa, senón que tamén pode limitar as correntes de cortocircuito e reducir o risco de danos no equipo.

Especificamente, ao implementar o aterramento de baixa resistencia no punto neutro para os transformadores nos sitios de construción, o primeiro paso é determinar o valor adecuado da resistencia de aterramento. Segundo a lei de Ohm, o valor da resistencia de aterramento é inversamente proporcional á corrente de aterramento e á tensión de aterramento. Polo tanto, ao seleccionar o valor da resistencia de aterramento para o método de aterramento de baixa resistencia no punto neutro, debe determinarse primeiro o valor da resistencia, cunha fórmula de cálculo como a seguinte:

Na fórmula, R₀ representa o valor da resistencia do resistor de aterramento; U₀ representa a tensión nominal media do sistema eléctrico na construción; I₀ representa a corrente que fluye a través do resistor do punto neutro. Segundo o cálculo na fórmula (1), debe seleccionarse un valor adecuado de resistencia de aterramento que poida limitar eficazmente a corrente de cortocircuito mentres evita un impacto excesivo no transformador.

A continuación está a determinación de parámetros como a sección transversal e o material do cable de aterramento. O material do cable de aterramento debe ter tamén unha excelente conductividade e resistencia á corrosión para garantir a súa vida útil e fiabilidade. Este estudo considera comprehensivamente as condicións reais de aterramento de transformadores nos sitios de construción e selecciona o cobre estanado como o conductor de aterramento, un material con boa conductividade, fácil conexión e fortes capacidades anticorrosivas, que cumple totalmente cos requisitos do método de aterramento de baixa resistencia no punto neutro.

A sección transversal do cable de aterramento afecta directamente ao seu valor de resistencia, que a súa vez inflúe na corrente de aterramento. Polo tanto, seleccionase a sección transversal adecuada do cable de aterramento baseándose na seguinte fórmula:

Na fórmula, S representa a sección transversal do cable de aterramento no método de aterramento de baixa resistencia no punto neutro; η representa o coeficiente de relación entre a resistencia de aterramento do punto neutro e a resistencia de aterramento do transformador; T representa o aumento de temperatura permitido do cable de aterramento. Finalmente, debe determinarse a profundidade de enterrado do electrodo de aterramento. Para garantir a operación estable do electrodo de aterramento en ambientes adversos, a súa profundidade de enterrado debe superar a espesor da capa de solo conxelado no sitio de construción, garantindo así de forma comprehensiva a fiabilidade e seguridade do sistema de aterramento.

En resumo, ao implementar o aterramento de transformadores nos sitios de construción, adóptase un método de aterramento de baixa resistencia no punto neutro, con axustes razonables para os parámetros de aterramento, incluíndo o valor de resistencia, a sección transversal do cable de aterramento, a selección de material e a profundidade de enterrado do electrodo de aterramento, proporcionando unha base sólida para a operación estable do transformador durante a construción.

2 Diseño do esquema de protección de aterramento de transformadores

De acordo co contido anterior, no método de conexión a terra de baixa resistencia para a protección da conexión a terra dos transformadores en obxectos de construción, este método de conexión a terra controla eficazmente a corrente de conexión a terra do transformador a través dunha baixa resistencia. Durante a operación do transformador poden ocorrer varios fallos, sendo o máis común o fallo de conexión a terra unifásica. Un fallo de conexión a terra unifásica refírese a un curto circuito entre unha das bobinas dunha fase do transformador e a terra, mentres que as outras dúas fases seguen funcionando normalmente. Este fallo provoca cambios no potencial do punto neutro do transformador, levando a un desequilibrio nas correntes trifásicas. Utilizando esta característica, propónse un esquema de protección baseado no desequilibrio de correntes trifásicas nos transformadores:

O primeiro é a protección sección I de secuencia cero, cuxa fórmula de cálculo está dada por:

Na fórmula, I₁ representa o valor de corrente de actuación da protección de secuencia cero dos transformadores na construción; γ₁ representa o coeficiente de fiabilidade; γ₂ representa o coeficiente de rama de secuencia cero; I₂ representa o valor de corrente de actuación da protección de secuencia cero dos compoñentes adxacentes aos transformadores na construción. Despois de calcular o valor de corrente para a protección sección I de secuencia cero segundo a fórmula (3), o tempo de actuación para a protección sección I xeralmente establecése como aproximadamente 0,5 segundos máis que o tempo de actuación da protección de secuencia cero do nivel seguinte.

A continuación está a protección sección II de secuencia cero. A fórmula de cálculo para o seu valor de corrente de protección é a mesma que para a protección sección I de secuencia cero, o que significa que a corrente de protección tamén obtense segundo a fórmula (3), pero o tempo de actuación difire, requirendo un aumento de aproximadamente 0,3 segundos sobre o tempo de actuación da protección sección I de secuencia cero.

Finalmente, hai a protección de tensión de secuencia cero. Considerando comprehensivamente que durante os fallos de conexión a terra unifásica nos transformadores en obxectos de construción, o punto neutro pode perder a súa sensibilidade intrínseca, a tensión de actuación da protección de tensión de secuencia cero debe ser inferior á máxima tensión de secuencia cero que aparece no punto de instalación da protección durante os fallos de conexión a terra unifásica. O valor de tensión de protección de tensión de secuencia cero determinase principalmente segundo a seguinte fórmula:

Na fórmula, U₁ representa a tensión de actuación da protección de tensión de secuencia cero; U₂ representa a tensión nominal das tres bobinas secundarias.

En resumo, para formar un esquema completo de protección de desequilibrio de correntes trifásicas, son necesarios unha serie de cálculos complexos, incluíndo fórmulas de cálculo para a protección sección I de secuencia cero, a protección sección II de secuencia cero e a protección de tensión de secuencia cero. A derivación e aplicación destas fórmulas axudará a determinar de forma máis precisa o tipo e a gravidade dos fallos de conexión a terra unifásica en obxectos de construción. Este esquema de protección non só pode localizar e aislar rapidamente os fallos de conexión a terra, senón que tamén reduce a probabilidade de incidentes de interrupción de enerxía causados polos fallos de conexión a terra. Ao mesmo tempo, combinado co método de conexión a terra de baixa resistencia, forma unha estrutura completa de protección de conexión a terra para os transformadores en construción, proporcionando unha forte protección para a operación segura dos transformadores.

3 Análise Experimental

Para verificar a efectividade da tecnoloxía de protección de conexión a terra dos transformadores mencionada en obxectos de construción, neste capítulo usaráse o software de simulación de sistemas eléctricos PowerFactory para realizar experimentos de simulación de protección de conexión a terra dos transformadores. Primeiro, estabelecerase un modelo de sistema eléctrico de edificio no software de simulación, que principalmenente inclúe transformadores, liñas de alta e baixa tensión, cargas e outro equipamento. A táboa 1 presenta o modelo e as especificacións dos parámetros do transformador experimental.

A estrutura específica do transformador móstrase na Figura 1.

Despois, realizáronse experimentos de simulación da protección de aterramento do transformador empregando tres métodos de aterramento diferentes: aterramento de baixa resistencia no punto neutro, aterramento de alta resistencia no punto neutro e aterramento no punto neutro con bobina de supresión de arcos. Ao estabelecer os métodos de aterramento, para o método de aterramento de baixa resistencia no punto neutro, seleccionouse un resistor con valor de resistencia pequeno, especificamente fixado en 0,5 Ω, para simular o efecto do aterramento de baixa resistencia; para o método de aterramento de alta resistencia no punto neutro, seleccionouse un resistor con valor de resistencia maior, fixado en 10 Ω, para simular as características do aterramento de alta resistencia.

Durante o experimento, simuláronse os niveis de corrente de aterramento do transformador baixo fallos de aterramento monofásico. A localización específica do fallo fixouse no punto medio dunha liña de fase no lado de baixa tensión do transformador, coa resistencia de fallo fixada en 100 Ω para simular a resistencia de aterramento durante un fallo de aterramento. No proceso de simulación do fallo, utilizouse un sistema de adquisición de datos de alta taxa de muestreo para rexistrar os datos de corrente de aterramento, coa frecuencia de muestreo fixada en 1000 veces por segundo para asegurar a captura de cambios sutís na corrente de aterramento.

Ademais de rexistrar o valor da corrente de aterramento no momento da ocorrencia do fallo, estableceronse múltiples puntos temporais, incluíndo 0,1 s, 0,5 s, 1 s, 5 s e 10 s despois da ocorrencia do fallo, para observar os cambios na corrente de aterramento en diferentes puntos temporais. Para evitar a aleatoriedade nos resultados do experimento, rexistáronse os datos de corrente de aterramento 10 veces, tomandose o valor medio como o resultado final do experimento. A Figura 2 ofrece unha comparación dos efectos da protección de aterramento do transformador baixo diferentes métodos de aterramento.

Como se mostra na Figura 2, a análise de simulación comparou as características de corrente de aterramento dos transformadores baixo fallos monofásicos para os métodos de aterramento de baixa resistencia no punto neutro, aterramento de alta resistencia e aterramento con bobina de supresión de arcos. Os resultados indican que, durante un fallo de aterramento monofásico en transformadores, a corrente de aterramento no método de aterramento de baixa resistencia no punto neutro é significativamente maior que a do método de aterramento de alta resistencia no punto neutro e do método de aterramento con bobina de supresión de arcos. 

Baixo a tecnoloxía de protección de aterramento deseñada, a corrente media de aterramento do transformador foi de 70,11 A, que representa un aumento de 43,44 A e 21,62 A, respectivamente, en comparación coas tecnoloxías do grupo de control. Isto axuda a reducir a intensidade do arco no punto do fallo e acelera a capacidade de autocuración do fallo. Polo tanto, a tecnoloxía de protección de aterramento deseñada é factible e fiable, adecuada para aplicación práctica en fallos de aterramento monofásico de transformadores, protexendo eficazmente a seguridade operativa dos transformadores nos canteiros de obra.

4.Conclusión

A tecnoloxía de protección de aterramento para transformadores en construción propón un esquema de protección de sobrecorrente de secuencia cero baseado no método de aterramento de baixa resistencia no punto neutro. A través de experimentos comparativos, verificouse a superioridade da tecnoloxía de protección de aterramento deseñada na protección principal para fallos monofásicos de transformadores. Aínda que se lograron algunhas consecucións de investigación, aínda existen certas limitacións. Por exemplo, as condicións experimentais e as mostras de datos poden non ser suficientemente comprehensivas, requirindo unha validación adicional da universalidade das conclusións.

As futuras investigacións poden centrarse nas seguintes áreas: primeiro, ampliar o alcance dos experimentos e aumentar as mostras de datos para mellorar a precisión e a universalidade das conclusións; segundo, realizar estudos en profundidade sobre outros esquemas e tecnoloxías de protección para explorar métodos de protección de aterramento de transformadores máis eficientes e fiables; finalmente, desenvolver dispositivos e sistemas de protección de alto rendemento en combinación con aplicaciones prácticas de enxeñaría.