Análisis del Comportamiento Operativo del Transformador de Puesta a Tierra bajo Condiciones de Falla Monofásica a Tierra del Sistema

1 Análisis Teórico

En las redes de distribución, los transformadores de tierra cumplen dos roles clave: alimentar cargas de baja tensión y conectar bobinas de supresión de arcos en neutros para protección de tierra. Los fallos de tierra, el tipo de fallo más común en las redes de distribución, afectan fuertemente las características operativas de los transformadores, causando cambios bruscos en los parámetros electromagnéticos y el estado.Para estudiar los comportamientos dinámicos de los transformadores bajo fallos de tierra unifásicos, se construye este modelo: Se asume que las características inherentes de un transformador permanecen estables durante los fallos unifásicos en el lado de baja tensión. Luego, se deducen sus reglas de operación a través del mecanismo de compensación de la bobina de supresión de arcos. Los materiales relevantes incluyen: Figura 1 (estructura física del transformador), Figura 2 (circuito equivalente del sistema bajo fallo unifásico) y Figura 3 (circuito equivalente operativo del transformador).

u representa el voltaje de la fuente de potencia virtual, y su fórmula de cálculo es:

En la fórmula:U_m es la amplitud del voltaje del bus; w₀ es la frecuencia angular de red; w₀ es el ángulo de fase del voltaje generado después de que el sistema experimenta un fallo de tierra unifásico. Durante un fallo en la etapa de arco en llamas, la corriente i_L de la bobina de supresión de arcos es:

En la fórmula: δ1 es el factor de atenuación; IL representa la amplitud de la corriente del sistema e inductancia; R1 es la resistencia equivalente del transformador principal y del bucle de modo de línea; e es el ángulo de fase del voltaje cuando ocurre un fallo de tierra unifásico; L denota la inductancia de secuencia cero del transformador de tierra e inductancia de la bobina de supresión de arcos.

Existe una correlación entre la corriente inductiva y el grado de desintonización en la bobina de supresión de arcos, y se puede derivar la siguiente fórmula:

En la fórmula:i_C es la corriente de tierra compensada; C es la capacitancia a tierra de la línea de distribución; v es el grado de desintonización del sistema de subestación. Cuando el fallo de tierra unifásico del sistema está en un estado de tierra estable, la corriente inductiva de la bobina de supresión de arcos tiende a estabilizarse.

Combinando el análisis anterior, se puede derivar la siguiente ecuación:

En la fórmula:R_L es la resistencia equivalente del transformador principal y del bucle de modo de línea (el "inductancia equivalente" original probablemente sea un error tipográfico; se corrige a "resistencia equivalente" basado en la lógica del circuito; si es realmente inductancia, se retiene el símbolo L_L); w₀ es la frecuencia angular de red.

La fórmula (4) se puede sustituir en la fórmula (5) para calcular la corriente inductiva, y se obtiene la siguiente fórmula:

Combinado con la Fórmula (6), durante la etapa de extinción de arco del fallo, la inductancia de la bobina de supresión de arcos y la capacitancia a tierra de la línea de distribución están conectadas en serie, y la corriente del sistema es uniforme. Después de que la corriente inductiva vuelve a la normalidad, la fórmula de cálculo para la corriente inductiva es la siguiente:

En la fórmula: u_C0+es el voltaje de capacitancia a tierra del sistema durante la etapa de extinción de arco; i_L0+ es la corriente inductiva que fluye a través de la bobina de supresión de arcos del sistema durante la etapa de extinción de arco; w es la frecuencia angular de resonancia. Basándose en el análisis anterior, en diferentes etapas del fallo de tierra unifásico del sistema, los factores que influyen en las características operativas del transformador de tierra son diferentes, como se muestra específicamente en la Tabla 1.

2 Construcción y Verificación del Modelo de Simulación
2.1 Construcción del Modelo
La creación del modelo de simulación se basa en los parámetros del transformador de tierra en una determinada región, como se detalla en la Tabla 2. Los parámetros de la línea de cable se muestran en la Tabla 3.

2.2 Verificación del Modelo

En la verificación del modelo, para garantizar la autenticidad y validez de la investigación, se puede establecer un fallo de tierra unifásico del sistema a 4 km de la línea de cable 1 A y el bus de 10 kV. El ángulo de fase del fallo toma 90° como referencia. Utilizando el modelo de simulación construido, se obtienen las corrientes de secuencia cero de diferentes líneas en el fallo de tierra unifásico del sistema, como se detalla en la Tabla 4.

Cuando ocurre un fallo de tierra unifásico en el sistema, la fórmula de cálculo para la corriente capacitiva de diferentes líneas del transformador de tierra es:

Combinado con los datos de la Tabla 4, cuando ocurre un fallo de tierra unifásico en el sistema, el error máximo entre el valor simulado de la corriente de secuencia cero de la línea no defectuosa y el valor calculado de la corriente de capacitancia a tierra real es -0.848%, y no hay una diferencia significativa.

3 Análisis de Simulación de las Características Operativas
3.1 Influencia del Ángulo de Fase Inicial del Fallo

En la etapa de arco en llamas, los voltajes trifásicos se deforman significativamente. Los voltajes de las fases A, B y C aumentan, expandiendo el ángulo de fase inicial del fallo e incrementando la distorsión del voltaje. En la etapa estable, un ángulo de fase inicial mayor acorta el tiempo de estabilización de los voltajes trifásicos. En la etapa de extinción de arco, a pesar de los diferentes ángulos de fase iniciales, los voltajes de fase cambian de manera consistente: La fase A se eleva a la amplitud normal; la fase B desciende a la normal; la fase C primero desciende por debajo de la normal y luego se eleva. Para las corrientes: En la primera etapa de arco en llamas, un ángulo de fase inicial mayor reduce la variación de las corrientes trifásicas; en la etapa estable, aumenta la variación; en la etapa de extinción de arco, los cambios de corriente son uniformes, independientemente de los ángulos de fase iniciales.

3.2 Influencia de la Resistencia de Transición

En la etapa de arco en llamas de un fallo de tierra unifásico, una menor resistencia de transición del transformador de tierra aumenta la variación de los voltajes trifásicos; en la etapa estable, amplifica la variación de voltaje (las amplitudes de las fases B y C son menores). En la etapa de extinción de arco, los voltajes trifásicos son consistentes bajo diferentes resistencias: La fase A alcanza la amplitud normal, la fase B desciende a la normal, y la fase C desciende y luego se eleva. Para las corrientes: En la etapa de arco en llamas, una menor resistencia aumenta la amplitud de las corrientes trifásicas. La primera etapa (alta resistencia) tiene una pequeña amplitud de corriente; la segunda (baja resistencia) tiene una gran amplitud; en la tercera etapa, con la bobina de supresión de arcos detenida, las corrientes de las fases A y C primero descienden y luego se elevan a la normal.

4 Conclusión

Un fallo de tierra unifásico en el sistema de la subestación aumenta las corrientes trifásicas en el lado del transformador de tierra (fases consistentes, sin daño al equipo). Para garantizar un suministro de energía estable y seguro, es necesario comprender la operación del transformador y los factores que influyen después de los fallos. Dado que la operación de la subestación se ve afectada por múltiples factores, las empresas de electricidad deben priorizar las inspecciones del sistema, mejorar el trabajo de inspección, asegurar la operación de las líneas de distribución, resolver los fallos de tierra unifásicos y apoyar la vida diaria.