Optimización de Métodos de Puesta a Tierra para el Núcleo y las Abrazaderas de los Transformadores Eléctricos

Las medidas de protección contra la tierra de los transformadores se dividen en dos tipos: El primero es la conexión a tierra del punto neutro del transformador. Esta medida de protección evita el desplazamiento de tensión en el punto neutro causado por un desequilibrio de carga trifásica durante la operación del transformador, permitiendo que los dispositivos de protección actúen rápidamente y reduzcan las corrientes de cortocircuito. Esto se considera una conexión funcional a tierra para el transformador. La segunda medida es la conexión a tierra del núcleo y las abrazaderas del transformador.

Esta protección evita que se generen tensiones inducidas en las superficies del núcleo y las abrazaderas debido a los campos magnéticos internos durante la operación, lo que podría llevar a fallos de descarga parcial. Esto se considera una conexión protectora a tierra para el transformador. Para garantizar una operación segura y confiable del transformador, este artículo analiza y optimiza los métodos de conexión a tierra específicamente para los núcleos y abrazaderas de los transformadores.

1. Importancia de la conexión a tierra del núcleo y las abrazaderas

Los componentes internos principales de un transformador incluyen: bobinas, núcleo y abrazaderas. Las bobinas forman el circuito eléctrico del transformador, el núcleo constituye el circuito magnético, y las abrazaderas se utilizan principalmente para asegurar las bobinas y las láminas de acero silicio del núcleo. Durante la operación normal, las bobinas primarias y secundarias generan campos magnéticos cuando circula corriente a través de ellas. Bajo este entorno magnético, se desarrollan tensiones inducidas en las superficies del núcleo y las abrazaderas. 

A medida que aumenta la intensidad del campo magnético, el flujo magnético crece gradualmente, causando que las tensiones inducidas aumenten progresivamente. Debido a la distribución desigual del campo magnético, las tensiones inducidas no uniformes crean diferencias de potencial, resultando en descargas continuas en las superficies del núcleo y las abrazaderas, lo que lleva a fallos internos del transformador. Esta tensión que causa fallos de descarga internos en los transformadores se llama "tensión flotante". Por lo tanto, durante la operación, el núcleo y las abrazaderas del transformador deben estar conectados a tierra en un solo punto para reducir y eliminar las tensiones inducidas.

Al conectar a tierra el núcleo y las abrazaderas del transformador, solo se permite un punto de conexión a tierra para evitar corrientes circulantes entre el núcleo y las abrazaderas. Si existen dos o más puntos de conexión a tierra, las diferencias de potencial causarán corrientes circulantes entre el núcleo y las abrazaderas, lo que llevará a aumentos anormales de temperatura en el interior del transformador. Esto daña directamente la aislación sólida interna y acelera el envejecimiento del aceite aislante, afectando la vida útil normal del transformador.

2. Métodos de conexión a tierra para el núcleo y las abrazaderas y enfoques de optimización

En los diseños actuales de transformadores en China, la conexión a tierra del núcleo y las abrazaderas se logra principalmente mediante conexiones a través de pequeñas boquillas o tornillos aislados hasta el exterior del tanque del transformador antes de la conexión a tierra. Este método de conexión a tierra se divide en dos métodos:

El primer método de conexión a tierra (Figura 1) conecta el núcleo y las abrazaderas a través de boquillas o tornillos aislados, luego los cortocircuita juntos antes de la conexión a tierra. Durante la operación normal del transformador, este método de conexión a tierra presenta tres rutas de flujo de corriente, etiquetadas I1, I2 e I3:

• I1: Núcleo → Terminal de conexión a tierra → Tierra

• I2: Abrazaderas → Terminal de conexión a tierra → Tierra

• I3: Núcleo → Terminal de conexión a tierra → Tierra → Abrazaderas

El segundo método de conexión a tierra (Figura 2) dirige el núcleo y las abrazaderas a través de boquillas o tornillos aislados a puntos de conexión a tierra separados. Este método de conexión a tierra también presenta tres rutas de flujo de corriente durante la operación normal:

• I1: Núcleo → Punto de conexión a tierra del núcleo → Tierra

• I2: Abrazaderas → Punto de conexión a tierra de las abrazaderas → Tierra

• I3: Núcleo → Punto de conexión a tierra del núcleo → Tierra → Punto de conexión a tierra de las abrazaderas → Abrazaderas

De los dos métodos de conexión a tierra mencionados anteriormente, las corrientes de conexión a tierra inducidas I1 e I2 representan condiciones normales. Sin embargo, la corriente de conexión a tierra inducida I3 difiere significativamente:

En el método de conexión a tierra mostrado en la Figura 1, la corriente inducida fluye a través de la ruta: núcleo → terminal de conexión a tierra → abrazaderas, creando una "corriente circulante" entre el núcleo y las abrazaderas del transformador. Bajo el efecto térmico de esta corriente, la temperatura interna del transformador aumenta anormalmente. La alta temperatura causa directamente la degradación de la aislación sólida y el envejecimiento del aceite aislante. Además, debido a la influencia de la corriente circulante, los sistemas de monitoreo en línea no pueden medir con precisión las corrientes de conexión a tierra del núcleo y las abrazaderas, lo que lleva a un diagnóstico incorrecto cuando ocurren fallos en el equipo. Por lo tanto, el primer método de conexión a tierra tiene importantes desventajas.

En contraste, el método de conexión a tierra mostrado en la Figura 2 dirige la corriente inducida a través de: núcleo → tierra del núcleo → tierra → tierra de las abrazaderas → abrazaderas. Dado que la corriente pasa a través de la tierra de alta resistencia, no se puede formar una "corriente circulante" entre el núcleo y las abrazaderas. Esto evita el aumento anormal de la temperatura en el transformador y permite que los sistemas de monitoreo en línea midan con precisión las corrientes de conexión a tierra del núcleo y las abrazaderas (según DL/T 596-2021 Código de Pruebas Preventivas de Energía, la corriente de conexión a tierra del núcleo no debe superar 0,1 A y la corriente de conexión a tierra de las abrazaderas no debe superar 0,3 A durante la operación del transformador). Esto proporciona evidencia confiable para determinar si existen fallos internos dentro del transformador.

Para el transformador de potencia sin regulación de tensión xx-223000/500, el núcleo y las abrazaderas están conectados a tierra usando el método mostrado en la Figura 1, lo que presenta varios problemas operativos:

(1) Durante la operación, se forma fácilmente una "corriente circulante" entre el núcleo y las abrazaderas internas. El efecto térmico causa aumentos anormales de temperatura, acelerando la degradación de la aislación sólida y el envejecimiento del aceite aislante, reduciendo así la vida útil del transformador.

(2) Debido a la influencia de la "corriente circulante", los sistemas de monitoreo en línea no pueden medir con precisión las corrientes de tierra del núcleo y las abrazaderas, lo que hace imposible proporcionar pruebas concluyentes para determinar fallos internos.

(3) Las corrientes de tierra inducidas del núcleo y las abrazaderas se pueden medir continuamente y comparar con las corrientes de fuga monitoreadas por el sistema en línea para verificar la precisión del sistema de monitoreo.

(4) Durante el mantenimiento y reparación del transformador, cuando se mide la resistencia de aislamiento entre el núcleo/las abrazaderas y la tierra, se deben desconectar los conductores de tierra externos. Dado que este modelo de transformador utiliza pernos de cobre M10 (aislados de la tierra) para las conexiones del núcleo y las abrazaderas, que tienen excelente conductividad pero baja resistencia mecánica y son propensos a romperse. Durante las operaciones en campo, los espacios confinados y las fuerzas desequilibradas pueden causar fácilmente la fractura de los pernos de cobre. Dada la estructura interna compacta del transformador, abordar este fallo requiere levantar la tapa del tanque para su reemplazo, afectando los ciclos normales de mantenimiento y la eficiencia operativa.

Considerando estos cuatro problemas, para garantizar una detección precisa de las corrientes de tierra inducidas del núcleo y las abrazaderas durante la operación, prolongar la vida útil del transformador, eliminar las "corrientes circulantes" y prevenir que las operaciones de mantenimiento causen daños que amplíen el alcance de la reparación, se recomienda optimizar el método de puesta a tierra del núcleo y las abrazaderas del transformador desde la configuración de la Figura 1 a la configuración de la Figura 2.

3.Conclusión

A través de una introducción detallada de los componentes internos del transformador y sus funciones, junto con un análisis científico de los fallos de descarga que ocurren durante la operación, se han implementado con éxito modificaciones en las partes defectuosas. Este enfoque logra extender la vida útil del equipo, mejorar la seguridad de la red eléctrica y reducir los costos de mantenimiento del equipo.