Optimització dels mètodes de connexió a terra per al nucli i les abraçades del transformador elèctric

Les mesures de protecció de terra del transformador es divideixen en dos tipus: La primera és la puesta a tierra del punt neutre del transformador. Aquesta mesura de protecció evita el desplaçament de la tensió del punt neutre causat per un desequilibri de càrrega trifàsica durant l'operació del transformador, permetent que els dispositius de protecció actuen ràpidament i reduint les corrents de curtcircuït. Això s'considera una puesta a tierra funcional per al transformador. La segona mesura és la puesta a tierra del nucli i les preses del transformador.

Aquesta protecció evita que es desenvolupin tensions induïdes a les superfícies del nucli i les preses a causa dels camps magnètics interns durant l'operació, que podrien conduir a falles de descàrrega parcial. Això s'considera una puesta a tierra protectora per al transformador. Per assegurar una operació segura i fiable del transformador, aquest article analitza i optimitza mètodes específics de puesta a tierra per als nuclis i les preses dels transformadors.

1. Importància de la puesta a tierra del nucli i les preses

Els components interns principals d'un transformador inclouen: bobines, nucli i preses. Les bobines formen el circuit elèctric del transformador, el nucli constitueix el circuit magnètic, i les preses s'utilitzen principalment per assegurar les bobines i les fulles de silici ferrosi del nucli. Durant l'operació normal, les bobines primària i secundària generen camps magnètics quan la corrent passa a través d'elles. En aquest entorn magnètic, són induïdes tensions a les superfícies del nucli i les preses. 

Com la intensitat del camp magnètic augmenta, el flux magnètic creix gradualment, provocant que les tensions induïdes augmentin progressivament. A causa de la distribució no uniforme del camp magnètic, les tensions induïdes no uniformes creen diferències de potencial, resultant en descàrregues contínues a les superfícies del nucli i les preses, conduint a falles internes del transformador. Aquesta tensió que provoca falles de descàrrega internes en els transformadors s'anomena "tensió flotant." Per tant, durant l'operació, el nucli i les preses del transformador han de ser posats a terra en un sol punt per reduir i eliminar les tensions induïdes.

Quan es posa a terra el nucli i les preses del transformador, només es permet un sol punt de puesta a tierra per evitar corrents circulants entre el nucli i les preses. Si hi ha dos o més punts de puesta a tierra, les diferències de potencial causaran corrents circulants entre el nucli i les preses, provocant increments anòmals de temperatura a l'interior del transformador. Això deteriora directament l'aïllament sòlid intern i acelera l'envejeciment de l'oli d'aïllament, afectant la vida útil normal del transformador.

2. Mètodes de puesta a tierra del nucli i les preses i aproximacions d'optimització

En els dissenys actuals de transformadors a la Xina, la puesta a tierra del nucli i les preses s'aconsegueix principalment connectant-los a través de petites bosses o boltes aïllades a l'exterior de la cisterna del transformador abans de posar-los a terra. Aquest mètode de puesta a tierra es divideix en dos mètodes:

El primer mètode de puesta a tierra (Figura 1) connecta el nucli i les preses a través de bosses o boltes aïllades, després els curta-circuita directament abans de posar-los a terra. Durant l'operació normal del transformador, aquest mètode de puesta a tierra presenta tres camins de flux de corrent, etiquetats com I1, I2 i I3:

• I1: Nucli → Terminal de puesta a tierra → Terra

• I2: Preses → Terminal de puesta a tierra → Terra

• I3: Nucli → Terminal de puesta a tierra → Terra → Preses

El segon mètode de puesta a tierra (Figura 2) connecta el nucli i les preses a través de bosses o boltes aïllades a punts de puesta a tierra separats. Aquest mètode de puesta a tierra també presenta tres camins de flux de corrent durant l'operació normal:

• I1: Nucli → Punt de puesta a tierra del nucli → Terra

• I2: Preses → Punt de puesta a tierra de les preses → Terra

• I3: Nucli → Punt de puesta a tierra del nucli → Terra → Punt de puesta a tierra de les preses → Preses

Dels dos mètodes de puesta a tierra mencionats, les corrents de puesta a tierra induïdes I1 i I2 representen condicions normals. No obstant això, la corrent de puesta a tierra induïda I3 difereix significativament:

En el mètode de puesta a tierra mostrat a la Figura 1, la corrent induïda passa pel camí: nucli → terminal de puesta a tierra → preses, creant una "corrent circular" entre el nucli i les preses del transformador. Sota l'efecte tèrmic d'aquesta corrent, la temperatura interna del transformador augmenta anòmalament. Una alta temperatura provoca directament la degradació de l'aïllament sòlid i l'envejeciment de l'oli d'aïllament. A més, a causa de l'influència de la corrent circular, els sistemes de monitorització en línia no poden mesurar amb precisió les corrents de puesta a tierra del nucli i les preses, conduint a diagnòstics erronis quan es produeixen falles en l'equipament. Per tant, el primer mètode de puesta a tierra té defectes significatius.

En canvi, el mètode de puesta a tierra mostrat a la Figura 2 connecta la corrent induïda a través: nucli → puesta a tierra del nucli → terra → puesta a tierra de les preses → preses. Com que la corrent passa a través de la terra de resistència elevada, no es pot formar cap "corrent circular" entre el nucli i les preses. Això evita l'augment anòmal de la temperatura del transformador i permet que els sistemes de monitorització en línia mesurin amb precisió les corrents de puesta a tierra del nucli i les preses (segons DL/T 596-2021 Codi de Proves Preventives Elèctriques, la corrent de puesta a tierra del nucli no ha de superar els 0,1 A i la corrent de puesta a tierra de les preses no ha de superar els 0,3 A durant l'operació del transformador). Això proporciona evidència fiable per determinar si hi ha falles interns en el transformador.

Per al transformador de regulació de tensió sense excitació xx-223000/500, el nucli i les preses estan posats a terra utilitzant el mètode mostrat a la Figura 1, el qual presenta diversos problemes operatius:

(1) Durant l'operació, es forma fàcilment una "corrent circular" entre el nucli i les preses interns. L'efecte tèrmic provoca increments anòmals de temperatura, accelerant la degradació de l'aïllament sòlid i l'envejeciment de l'oli d'aïllament, reduint així la vida útil del transformador.

(2) A causa de la influència de la "corrent circular," els sistemes de monitoratge en línia no poden mesurar amb precisió les corrents a terra del nucli i les preses, fent impossible proporcionar proves concluents per determinar faltes internes.

(3) Les corrents a terra induïdes del nucli i les preses es poden mesurar de forma contínua i comparar amb les corrents de fuga monitorades pel sistema en línia per verificar la precisió del sistema de monitoratge.

(4) Durant la manteniment i reparació del transformador, quan es mesura la resistència d'aislament entre el nucli/preses i la terra, s'han de desconnectar els conductors de terra externs. Com que aquest model de transformador utilitza bolts de cobre M10 (aïllats de la terra) per a les connexions del nucli i les preses, que tenen una excel·lent conductivitat però una baixa resistència mecànica i són propensos a trencar-se. En les operacions de camp, els espais reduïts i les forces desequilibrades poden causar fàcilment la fractura dels bolts de cobre. Atès l'estret interior del transformador, solucionar aquest defecte requereix alçar la tapa del dipòsit per reemplaçar-los, afectant els cicles normals de manteniment i l'eficiència operativa.

Considerant aquests quatre problemes, per assegurar una detecció precisa de les corrents a terra induïdes del nucli i les preses durant l'operació, prolongar la vida útil del transformador, eliminar la "corrent circular" i prevenir que les operacions de manteniment causin danys que amplifiquin l'àmbit de reparació, es recomana optimitzar el mètode de puesta a tierra del nucli i les preses del transformador, passant de la configuració de la Figura 1 a la de la Figura 2.

3.Conclusió

A través d'una introducció detallada dels components interns del transformador i les seves funcions, juntament amb l'anàlisi científica de les faltes de descàrrega que ocorren durant l'operació, s'han implementat amb èxit modificacions en les parts defectuoses. Aquest enfocament assolix una extensió de la vida útil de l'equipament, millora la seguretat de la xarxa elèctrica i redueix els costos de manteniment de l'equipament.