Sobretensión por Rayo en el Punto Neutro del Transformador de 110 kV: Simulación ATP y Soluciones de Protección

Existe una amplia literatura sobre el análisis de sobretensiones en puntos neutrales de transformadores bajo condiciones de descargas atmosféricas. Sin embargo, debido a la complejidad y aleatoriedad de las ondas de rayo, una descripción teórica precisa sigue siendo esquiva. En la práctica de ingeniería, las medidas de protección se determinan generalmente basándose en códigos del sistema eléctrico, seleccionando dispositivos de protección adecuados, con abundante documentación de respaldo disponible.

Las líneas de transmisión o subestaciones son susceptibles a los impactos de rayos. Las sobretensiones por rayo pueden propagarse a lo largo de las líneas de transmisión hacia las subestaciones o golpear directamente el equipo de la subestación, induciendo sobretensiones en el punto neutral del transformador, lo que representa una amenaza para el aislamiento del punto neutral. Por lo tanto, estudiar las características de las sobretensiones en el punto neutral bajo condiciones de rayo y evaluar la efectividad de limitación de voltaje de los dispositivos protectores tiene un significado práctico [1]. Este artículo presenta un estudio de simulación utilizando el Programa Alternativo de Transitorios (ATP), la versión más utilizada del Programa de Transitorios Electromagnéticos (EMTP), basado en la configuración de una subestación específica de 110 kV. Combinando la teoría de sobretensiones por rayo con las características de aislamiento de los puntos neutrales de transformadores de 110 kV, el artículo simula sobretensiones en el punto neutral bajo diversas condiciones de ondas de rayo. Se analizan comparativamente los resultados de la simulación y se proponen medidas para mitigar las sobretensiones en el punto neutral.

1. Análisis Teórico

1.1 Impacto de Rayo en Líneas de Transmisión

Cuando una línea aérea de transmisión es golpeada por un rayo, una onda viajera se propaga a lo largo del conductor [1]. Dentro de las subestaciones, numerosas líneas de conexión cortas (por ejemplo, conexiones desde transformadores a barras o pararrayos) se comportan de manera similar a las líneas de transmisión bajo el impulso de rayo de duración extremadamente corta. Estas líneas exhiben procesos de propagación, reflexión y refracción rápidos, a menudo generando sobretensiones transitorias con amplitudes pico muy altas que pueden dañar el equipo.

1.2 Análisis de Parámetros de Bobinas de Transformador Conectadas en Y Bajo Sobretensión por Rayo

Las bobinas de transformador trifásico generalmente están conectadas en configuraciones Y, Yo o Δ. Durante la operación, las sobretensiones por rayo pueden entrar a través de una, dos o incluso todas las fases [1]. Este artículo se centra en las bobinas conectadas en Y, ya que solo estas configuraciones tienen un punto neutral accesible. Cuando un transformador está conectado en Yo y se ignora el acoplamiento mutuo entre fases, independientemente de si una, dos o tres fases son golpeadas, el sistema puede analizarse como tres devanados independientes con terminales a tierra.

2. Condición de Aislamiento de Puntos Neutrales de Transformadores de 110 kV

Los puntos neutrales de transformadores de 110 kV emplean aislamiento escalonado, categorizado en niveles de 35 kV, 44 kV o 60 kV. Actualmente, los fabricantes producen principalmente transformadores con aislamiento de punto neutral de 60 kV. Diferentes niveles de aislamiento tienen capacidades de resistencia dieléctrica variadas, como se muestra en la Tabla 1. Considerando las condiciones prácticas, el envejecimiento del aislamiento y los márgenes de seguridad para el voltaje de frecuencia de red, se aplican factores de corrección. Se adopta un factor de margen de resistencia al impulso de rayo de 0.6 y un factor de margen de resistencia a la frecuencia de red de 0.85 [1], lo que lleva a los valores de resistencia de referencia en la Tabla 1.

Tabla 1 Niveles de Resistencia al Aislamiento / Valores de Resistencia de Referencia para Puntos Neutrales

3. Simulación y Cálculo

Considere una subestación de 110 kV con dos transformadores (Y/Δ) operando en paralelo, dos líneas entrantes de 110 kV y cuatro líneas salientes de 35 kV. El diagrama de una sola línea se muestra en la Figura 1. Para limitar las corrientes de falla de unifase y reducir las interferencias de comunicación, generalmente solo un transformador tiene su punto neutral a tierra mientras que el otro permanece sin tierra. Bajo condiciones de sobretensión por rayo, se puede inducir una sobretensión muy alta en el punto neutral del transformador sin tierra, lo que amenaza su aislamiento. Las siguientes secciones presentan análisis de simulación utilizando el programa ATP bajo varios escenarios.

Figura 1 Diagrama de Una Sola Línea de la Subestación de 110 kV

3.1 Propagación de Sobretensión por Rayo desde Líneas de Transmisión a la Subestación

3.1.1 Selección de Parámetros de Onda de Rayo

La causa principal de sobretensión en subestaciones es la propagación de sobretensiones por rayo desde las líneas de transmisión. La amplitud máxima de tensión en la línea no debe exceder el nivel de resistencia U50% de la cadena de aisladores de la línea; de lo contrario, ocurriría un flashover en la línea antes de que la sobretensión ingrese a la subestación. Dado que los primeros 1-2 km de la línea de entrada generalmente están protegidos contra impactos de rayo directos, las ondas de rayo que ingresan a la subestación provienen principalmente de impactos fuera de esta sección protegida. Para impactos de rayo fuera de la subestación, la magnitud de la corriente de rayo que ingresa a la subestación a través de líneas ≤220 kV es generalmente ≤5 kA, y ≤10 kA para líneas de 330-500 kV, con una pendiente significativamente reducida [15,17]. Basándose en estas condiciones, la onda de rayo se modela utilizando una función doble exponencial típica:
u(t) = k(e⁻ᵃᵗ - e⁻ᵇᵗ),
donde a y b son constantes negativas, y k, a, b se determinan por la amplitud del impulso, el tiempo de frente y el tiempo de cola. Se utiliza aquí una corriente pico de 5 kA y una onda exponencial estándar de 20/50 μs.

3.1.2 Configuración de Parámetros de Equipos de Subestación

Las sobretensiones por rayo contienen armónicos de muy alta frecuencia; por lo tanto, los parámetros de línea de la subestación se modelan como parámetros distribuidos. Los interruptores, disyuntores, transformadores de corriente (CTs) y transformadores de potencial (VTs) dentro de la subestación se representan mediante capacitancias equivalentes en paralelo. La capacitancia de entrada equivalente del transformador se da por Cₜ = kS⁰·⁵, donde S es la capacidad del transformador trifásico. Para niveles de tensión ≤220 kV, n=3, y para transformadores de 110 kV, k=540. El pararrayos de la barra de distribución se selecciona como YH1OWx-108/290, y el pararrayos de punto neutral como YH1.5W-72/186.

3.1.3 Cálculo y Análisis

La sobretensión generada en el punto neutral difiere dependiendo de si está localmente a tierra o sin tierra. Se realizan simulaciones para tres escenarios: sobretensión unifase en circuito único, sobretensión bifase en circuito único y sobretensión unifase en circuito doble, considerando tanto con como sin pararrayos de punto neutral. Los resultados se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2 Sobretensión Pico bajo Condiciones de Punto Neutral a Tierra / Sin Tierra

3.1.4 Análisis de Resultados

De acuerdo con la Tabla 2, en sistemas donde el punto neutral del transformador está localmente a tierra, el pararrayos de la barra de distribución limita eficazmente la sobretensión, por lo que el punto neutral del transformador sin tierra no experimenta una sobretensión alta, y el pararrayos de punto neutral generalmente no opera. En sistemas donde el punto neutral está localmente sin tierra, la sobretensión en el punto neutral es muy alta. Sin un pararrayos, esto representa una amenaza grave para el aislamiento (la tensión de resistencia al impulso de rayo de un transformador de 110 kV con aislamiento escalonado, considerando el margen de seguridad, es de 195 kV). La instalación de un pararrayos de punto neutral reduce significativamente la sobretensión pico. Por lo tanto, las sobretensiones por rayo que se propagan desde las líneas no amenazan el aislamiento de un punto neutral equipado con un pararrayos.

3.2 Impacto Directo de Rayo en la Subestación

Aunque las subestaciones generalmente tienen una protección completa contra rayos, los impactos directos de rayo, aunque raros debido a la complejidad y aleatoriedad de los rayos, aún pueden ocurrir [2] y causar daños en el equipo. Por lo tanto, es necesario estudiar la sobretensión en el punto neutral causada por impactos directos y las medidas de protección correspondientes.

3.2.1 Selección de Parámetros de Rayo y Subestación

Los parámetros de la subestación permanecen iguales a los definidos anteriormente. Se realizan cálculos utilizando parámetros de rayo estándar (1.2/50 μs) con amplitudes de 50, 100, 200 y 250 kA. La impedancia de la onda del canal de rayo se toma como 400 Ω.

3.2.2 Cálculo y Análisis

Los resultados para el impacto directo de rayo en una barra unifase (los impactos bifase son raros) bajo condiciones de punto neutral a tierra y sin tierra se muestran en la Tabla 3 (I y II representan casos sin y con pararrayos de punto neutral, respectivamente).

Tabla 3 Sobretensión Pico bajo Condiciones de Punto Neutral a Tierra / Sin Tierra (Impacto Directo)

3.2.3 Análisis de Resultados

Como se muestra en la Tabla 3, a medida que aumenta la amplitud de la corriente de rayo, la sobretensión pico en el punto neutral aumenta significativamente, y las oscilaciones se vuelven más pronunciadas. Incluso con un pararrayos, el voltaje residual a través del pararrayos aumenta. En subestaciones con puntos neutrales localmente sin tierra, la sobretensión en el punto neutral debido al rayo es particularmente grave. Incluso con un pararrayos, la sobretensión sigue siendo alta. Por ejemplo, un impacto directo de 250 kA genera una sobretensión en el punto neutral de 224.1 kV. En este caso, incluso si el pararrayos de punto neutral opera, el transformador aún puede ser dañado.

3.2.4 Discusión de Medidas de Mejora

(1) Instalar un pararrayos en el terminal del transformador (por ejemplo, agregar YH10Wx-108/290 para transformadores sin tierra) para limitar la sobretensión por rayo.
(2) Aumentar la capacidad de corriente de descarga del pararrayos de punto neutral. El pararrayos existente tiene una capacidad de descarga de 1.5 kA a un voltaje residual de 186 kV. Se propone aumentar esta capacidad a 15 kA.

Se realizaron re-simulaciones para el impacto directo de rayo en la barra de distribución en un sistema de punto neutral localmente sin tierra, y los resultados se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4 Sobretensión Pico en Punto Neutral con Pararrayos (Medidas de Mejora)

Amplitud de Corriente de Rayo (kA)	Medida de Mejora	Sobretensión Pico (kV)
250	Pararrayos   instalado en el terminal del transformador	224.1
250	Propina Propina Dar propina y animar al autor Temas: Transformador Pararrayos Sobretensión Punto neutro ATP Capacidad de corriente de descarga Acerca de expertos Felix Spark China Área de especialización Failure and maintenance Artículo profesional 155 Consultar Propina Consult Tip Recomendado Más Aplicaciones de Carga Ficticia en Pruebas de Sistemas Eléctricos Bancos de carga en las pruebas de sistemas de energía: aplicaciones y ventajasEl sistema de energía es una infraestructura central de la sociedad moderna, y su estabilidad y confiabilidad afectan directamente el funcionamiento normal de la industria, el comercio y la vida diaria. Para garantizar un funcionamiento eficiente bajo diversas condiciones operativas, los bancos de carga, equipos de prueba críticos, se utilizan ampliamente en las pruebas y validaciones de sistemas de energía. Este artíc Echo 10/30/2025 Selección de Transformador de Estado Sólido: Criterios Clave de Decisión La tabla siguiente cubre los criterios de decisión clave desde los requisitos hasta la implementación en las dimensiones fundamentales de la selección de transformadores de estado sólido, que puedes comparar punto por punto. Dimensión de Evaluación Consideraciones Clave y Criterios de Selección Explicación y Recomendaciones Requisitos Fundamentales y Coincidencia de Escenarios Objetivo Principal de Aplicación: ¿El objetivo es lograr una eficiencia extrema (por ejemplo, AIDC), re James 10/30/2025 7 Pasos Clave para Garantizar una Instalación Segura y Confiable de Grandes Transformadores de Potencia 1. Mantenimiento y Restauración de la Condición de Aislamiento de FábricaCuando un transformador pasa las pruebas de aceptación en fábrica, su condición de aislamiento está en su estado óptimo. Posteriormente, la condición de aislamiento tiende a deteriorarse, y la fase de instalación puede ser un período crítico para una degradación repentina. En casos extremos, la resistencia dieléctrica puede disminuir hasta el punto de falla, lo que lleva a la quema de las bobinas inmediatamente después de l Oliver Watts 10/29/2025 Comprensión de las variaciones de rectificadores y transformadores de potencia Diferencias entre transformadores rectificadores y transformadores de potenciaLos transformadores rectificadores y los transformadores de potencia pertenecen a la familia de transformadores, pero difieren fundamentalmente en su aplicación y características funcionales. Los transformadores que comúnmente se ven en los postes de electricidad son típicamente transformadores de potencia, mientras que aquellos que suministran células electrolíticas o equipos de galvanoplastia en fábricas suelen ser t Echo 10/27/2025 Productos relacionados Más PV Fuse Holders DNPVF1 Electronic fuse DNT-R1R Series High-performance fuses for semiconductors Ferroalloy furnace transformer(distribution transformer) Fuseholder RT18-125-2P Fuse Holder Fuse size Acerca de expertos Felix Spark China Área de especialización Fallo y Mantenimiento Artículo profesional 155 Consultar Propina Buscar expertos y socios en energía para explorar soluciones de red y energía Enviar consulta Su nombre Su teléfono Su correo electrónico Su país Sus mensajes Enviar Ahora Descargar Obtener la aplicación IEE Business Utiliza la aplicación IEE-Business para encontrar equipos obtener soluciones conectarte con expertos y participar en colaboraciones de la industria en cualquier momento y lugar apoyando completamente el desarrollo de tus proyectos y negocios de energía