Análisis de Caso sobre la Falsa Operación del Relé de Protección por Sobrecorriente del Transformador de Tierra

El modo de conexión a tierra neutra se refiere a la conexión entre el punto neutro del sistema eléctrico y la tierra. En los sistemas de China de 35 kV y por debajo, los métodos comunes incluyen neutro no conectado, conexión a tierra con bobina de supresión de arco y conexión a tierra con resistencia pequeña. El modo no conectado se utiliza ampliamente ya que permite la operación a corto plazo durante fallos de un solo fase, mientras que la conexión a tierra con resistencia pequeña se ha convertido en la corriente principal debido a su rápida eliminación de fallos y limitación de sobretensión. Muchas subestaciones instalan transformadores de conexión a tierra para reformar la conexión neutra, pero los cambios en las características de los fallos afectan la protección por relés, arriesgando mal funcionamiento o rechazo.

Este artículo introduce los principios y características de los transformadores de conexión a tierra, expone la configuración/ajuste de la protección actual en sistemas de resistencia pequeña, analiza las causas de mal funcionamiento y toma un caso de conexión a tierra de una sola fase para diseccionar las acciones de protección y las raíces de los fallos. Proporciona referencias para el manejo/prevención de fallos, profundiza la comprensión del personal de mantenimiento, mejora la eficiencia en la resolución de problemas y elimina peligros potenciales.

Principio de Funcionamiento del Transformador de Conexión a Tierra

Durante la transformación de una subestación con un sistema delta-conectado, neutro no conectado a un sistema de conexión a tierra con resistencia pequeña, para introducir un punto neutro, la práctica más común es agregar un transformador de conexión a tierra en la barra. Actualmente, generalmente se selecciona un transformador de conexión a tierra tipo Z para introducir el punto de conexión a tierra. A continuación, se analizará el principio de funcionamiento del transformador de conexión a tierra tipo Z.

El transformador de conexión a tierra tipo Z es estructuralmente similar a un transformador de potencia ordinario. Sin embargo, el devanado en cada núcleo de fase se divide en dos partes con igual número de vueltas, superior e inferior, que están conectadas en forma de zigzag. Su método de conexión se muestra en la Figura 1.

Cuando ocurre un cortocircuito a tierra, la corriente de secuencia cero fluye a través del punto neutro. La conexión en zigzag del transformador de conexión a tierra tipo Z hace que las corrientes de secuencia cero superiores e inferiores se opongan, anulando los flujos magnéticos y minimizando la impedancia de secuencia cero para evitar sobretensiones excesivas de conexión a tierra por arco. Para las corrientes de secuencia positiva/negativa, sus propiedades electromagnéticas similares a las de un transformador convencional crean una alta impedancia, restringiendo su flujo.

En operación normal, el transformador de conexión a tierra funciona cerca de sin carga (sin carga secundaria). Durante un fallo a tierra, las corrientes de fallo de secuencia positiva, negativa y cero pasan a través de él. Debido a "alta impedancia de secuencia positiva/negativa, baja impedancia de secuencia cero", el dispositivo de protección mide principalmente la corriente de secuencia cero de la red.

2 Configuración y Análisis de la Protección de Corriente para Transformadores de Conexión a Tierra

La protección de corriente de los transformadores de conexión a tierra generalmente utiliza la protección de corriente fase a fase y la protección de corriente de secuencia cero. Aquí está el desglose:

2.1 Configuración de la Protección de Corriente Fase a Fase
2.1.1 Principios de Configuración

Esta protección incluye el viaje instantáneo y la protección contra sobrecorriente:

• Viaje Instantáneo: Coordinar con la protección de sobrecorriente de respaldo del transformador de alimentación del mismo lado. Asegurar sensibilidad durante cortocircuitos de dos fases (modo de operación mínimo) y evitar corrientes de inrush (7-10 veces la corriente nominal del transformador de conexión a tierra) y corrientes de fallo del lado de baja tensión.

• Protección contra Sobrecorriente: Establecer para evitar la corriente nominal del transformador de conexión a tierra y la corriente de fase máxima durante la conexión a tierra de una sola fase externa, asegurando confiabilidad.

• Lógica de Operación: El viaje instantáneo actúa inmediatamente (sin demora); la protección contra sobrecorriente (respaldo para cortocircuitos fase a fase) tiene una demora corta y ajustes más bajos para coordinación escalonada.

2.1.2 Modos de Viaje

Basado en la conexión del transformador de conexión a tierra al transformador de alimentación:

• Conectado a la barra de baja tensión: El viaje instantáneo/protección contra sobrecorriente acciona el interruptor del mismo lado para aislar rápidamente los fallos.

• Conectado al conductor de baja tensión: La protección acciona todos los interruptores laterales para cortar la ruta de fallo y prevenir la escalada.

2.2 Configuración de la Protección de Corriente de Secuencia Cero para Transformadores de Conexión a Tierra
2.2.1 Principios de Configuración

• El valor de configuración de corriente debe garantizar suficiente sensibilidad cuando ocurre un fallo de una fase a tierra.

• Cooperar con el valor de configuración de la protección de larga duración para la sensibilidad completa de la línea de la protección de corriente de secuencia cero de nivel inferior.

• Para el primer límite de tiempo de la corriente de secuencia cero, se debe considerar evitar la ocurrencia sucesiva de fallos de una fase a tierra en dos líneas.

• El tiempo de operación debe ser mayor que el tiempo máximo de operación de la Sección II de la corriente de secuencia cero de cada componente conectado a la barra.

Dado que la protección de corriente de secuencia cero del transformador de conexión a tierra no sirve como la protección principal, hay tres límites de tiempo, que se muestran a continuación:

En la fórmula: t0¹, t0², t0³ son los primeros, segundos y terceros límites de tiempo de la protección de corriente de secuencia cero del transformador de conexión a tierra respectivamente; t_0I' es el valor de configuración de tiempo de la Sección I de la corriente de secuencia cero de la línea de salida; t_0II' es el valor de configuración de tiempo más largo de la Sección II de la protección de corriente de secuencia cero de todo el equipo en la barra excepto el transformador de conexión a tierra; Δt se establece como 0.2 - 0.5 s.

2.2.2 Modos de Viaje

• Cuando el transformador de conexión a tierra está conectado a la barra correspondiente de la subestación, la protección de corriente de secuencia cero opera: el primer límite de tiempo acciona el interruptor de interconexión de la barra o el interruptor de sección y bloquea el dispositivo de entrada de fuente de reserva automática (denominado brevemente "entrada de fuente de reserva automática"); el segundo límite de tiempo acciona los interruptores del mismo lado del transformador de conexión a tierra y el transformador de alimentación.

• Cuando el transformador de conexión a tierra está conectado al conductor correspondiente del transformador de alimentación, la protección de corriente de secuencia cero opera: el primer límite de tiempo acciona el interruptor de interconexión de la barra o el interruptor de sección y bloquea la entrada de fuente de reserva automática; el segundo límite de tiempo acciona el interruptor del mismo lado del transformador de alimentación; el tercer límite de tiempo acciona los interruptores de todos los lados del transformador de alimentación.

2.3 Análisis de la Operación de la Protección de Corriente para Transformadores de Conexión a Tierra

El análisis de la configuración de protección del transformador de conexión a tierra muestra diferencias significativas en los modos de viaje entre la protección de corriente fase a fase y la protección de corriente de secuencia cero: la protección de secuencia cero bloquea la entrada de fuente de reserva automática durante la operación, mientras que la protección fase a fase no lo hace.

Si la corriente de secuencia cero medida por el dispositivo de protección alcanza el valor de operación y ocurre un fallo a tierra (con el transformador de conexión a tierra como la única ruta de corriente de secuencia cero en un sistema de conexión a tierra de baja resistencia), el dispositivo detecta el fallo pero no puede localizarlo. Si el fallo está en la línea de salida, después de que la protección acciona el transformador de conexión a tierra, la entrada de fuente de reserva automática cambia a la barra de reserva. Si la barra de reserva recierra en la línea defectuosa, el transformador de conexión a tierra en ella todavía detecta la corriente de secuencia cero, provocando otro viaje. Dado que la entrada de fuente de reserva automática no ha terminado de cargarse, el rango de interrupción puede expandirse. Por lo tanto, la protección de secuencia cero debe bloquear la entrada de fuente de reserva automática.

Cuando la protección fase a fase actúa (pero la protección de secuencia cero no), el dispositivo juzga un cortocircuito fase a fase en el propio transformador de conexión a tierra. Acciona el transformador de conexión a tierra, acciona en paralelo el interruptor del mismo lado del transformador de alimentación, y la entrada de fuente de reserva automática cambia a la barra de reserva. Dado que el fallo está en el transformador de conexión a tierra accionado, la barra de reserva se reconecta a la línea normal, restaurando la energía.

En resumen, la protección de corriente fase a fase y la protección de corriente de secuencia cero de los transformadores de conexión a tierra difieren mucho en el juicio de la causa y ubicación del fallo, requiriendo configuraciones y ajustes distintos. Sin embargo, durante un cortocircuito a tierra, la protección fase a fase puede mal funcionar debido a componentes de secuencia cero medidos. Dada su lógica diferente de entrada de fuente de reserva automática, el mal funcionamiento puede expandir el rango de fallo o incluso causar un apagón completo de la subestación.

3 Análisis de Caso
3.1 Proceso de Fallo

El diagrama de cableado primario de una subestación de 110 kV se muestra en la Figura 2. Antes del fallo, el interruptor de bajo voltaje 018 del Transformador 1 estaba cerrado, el interruptor de bajo voltaje 032 del Transformador 2 estaba cerrado, y el interruptor 034 estaba en posición de prueba.

A las 06:14 del 30 de julio de 2023, la protección de sobrecorriente de la Sección I del transformador de conexión a tierra No. 2 se activó, accionando el interruptor 022 del transformador de conexión a tierra No. 2. Al mismo tiempo, interrumpió el interruptor de bajo voltaje 032 del Transformador 2, causando la pérdida de energía en las barras de 10 kV Secciones II y III. El dispositivo de fuente de reserva automática (auto-reserva) operó para cerrar el interruptor de interconexión 020 de las barras 10 kV Secciones I/II.

A las 06:36, la protección de sobrecorriente de la Sección I del transformador de conexión a tierra No. 1 se activó, accionando el interruptor 015 del transformador de conexión a tierra No. 1 e interrumpiendo el interruptor de bajo voltaje 018 del Transformador 1, lo que resultó en la pérdida de energía en todas las barras 10 kV Secciones I, II y III. El dispositivo de auto-reserva luego cerró el interruptor de bajo voltaje 032 del Transformador 2 y el interruptor 022 del transformador de conexión a tierra No. 2. Sin embargo, el fallo persistió, activando nuevamente la protección de sobrecorriente de la Sección I del transformador de conexión a tierra No. 2. El interruptor 022 accionó e interrumpió el interruptor 032, causando finalmente un apagón completo en el sistema 10 kV de la subestación.

3.2 Resultados de la Inspección de Equipos en Sitio
Hallazgos de la inspección de equipos primarios:

• Cuerpo del transformador de conexión a tierra: No se encontraron anomalías en los transformadores de conexión a tierra No. 1 y No. 2, sin rastros evidentes de fallos en los devanados o núcleos.

• Intervalo PT de la barra 10 kV Sección III (armario de interruptor 040):

• Manchas de agua evidentes en la tapa superior del armario de interruptor, indicando infiltración de lluvia.

• Ablación severa en la posición de la fase C de la pantalla del compartimento del carrito, con dos agujeros en la pantalla superior.

• La caja de contacto superior de la fase C y el contacto estático estaban quemados y dañados, con agua líquida acumulada dentro de la caja.

• Marcas de arco en los contactos móviles superior e inferior de la fase C del carrito del pararrayos, resortes recocidos y cilindros aislantes de brazo de contacto dañados.

• La manga aislante exterior de la barra de fase C en el compartimento de la barra estaba quemada y agrietada. Se observó penetración de manchas de agua en el área de la fase C de la placa trasera del compartimento de la barra, y gotas de agua condensadas en el sensor de visualización de tensión.

• Se acumuló una pequeña cantidad de agua en el fondo del compartimento del transformador de tensión, mientras que los PT trifásicos no mostraron anomalías externas evidentes.

La filtración de agua de lluvia desde el soporte de acero sobre el compartimento PT de la barra 10 kV Sección III ingresó al armario de interruptor, degradando la aislación y causando una descarga de la fase C que evolucionó en un fallo a tierra metálico. En el sistema de conexión a tierra de baja resistencia, el transformador de conexión a tierra No. 2 detectó corrientes de secuencia cero de ~4.3 A/fase (superando el ajuste de sobrecorriente de la Sección I de 2.5 A), activando el viaje. La protección de sobrecorriente no bloquea la auto-reserva de 10 kV, llevando a operaciones repetidas. El último viaje dejó la auto-reserva sin cargar, causando un apagón completo de 10 kV.

Factor contribuyente clave: La palabra de control "cancelación de secuencia cero de corriente de fase" estaba deshabilitada (ajustada a "0"), impidiendo el filtrado de software de componentes de secuencia cero en las corrientes de fase. Con una corriente de secuencia cero de 13 A, la protección de sobrecorriente mal funcionó. Si se habilitara correctamente, este control habría prev