Selección y optimización de la configuración de protección de los métodos de puesta a tierra del punto neutro de transformadores de 110 kV.

Introducción

En los sistemas de potencia de alta tensión, el método de puesta a tierra del punto neutro del transformador es un factor crítico que influye en la seguridad, la fiabilidad y la estabilidad del sistema. Para los sistemas de potencia de 110 kV, la elección del método de puesta a tierra del punto neutro afecta directamente a los niveles de aislamiento de los equipos, la protección contra sobretensiones, la configuración de la protección de relés y la fiabilidad del suministro eléctrico. En China, los sistemas de 110 kV suelen adoptar un método de puesta a tierra parcialmente eficazdonde algunos puntos neutros del transformador están conectados directamente a tierra, mientras que otros permanecen sin conexión a tierra, con el objetivo de limitar las corrientes de cortocircuito monofásicas y prevenir las amenazas de sobretensión.

Este artículo analiza las características, ventajas y limitaciones de los diferentes métodos de puesta a tierra del punto neutro de transformadores de 110 kV, explora estrategias óptimas de configuración de protección y presenta las tendencias de desarrollo futuras.

1. Métodos clave de puesta a tierra del punto neutro para transformadores de 110 kV

1.1 Conexión a tierra directa

Conexión a tierra directaSe refiere a la conexión directa del punto neutro del transformador a tierra. Este método fija eficazmente el potencial del punto neutro, asegurando que, durante una falla a tierra monofásica, el aumento de voltaje de la fase no afectada no supere 1,4 veces el voltaje de la fase. Esto contribuye a reducir los requisitos de aislamiento de los equipos y a disminuir los costos.

Sin embargo, una desventaja importante es la corriente de falla a tierra monofásica muy alta(hasta varios miles de amperios), lo que puede afectar la capacidad de interrupción del interruptor automático y la estabilidad del sistema. Por lo tanto, la puesta a tierra directa se utiliza generalmente en sistemas de 110 kV y de mayor tensión donde es necesaria una rápida eliminación de fallas.

1.2 Neutro sin conexión a tierra

En un sistema sin conexión a tierraEl punto neutro del transformador está aislado de tierra. Cuando se produce una falla a tierra monofásica, la corriente de falla es muy pequeña (principalmente la corriente capacitiva del sistema), lo que permite que el sistema continúe funcionando durante un corto período (normalmente hasta 2 horas). Esto mejora significativamente fiabilidad del suministro eléctrico.

Sin embargo, en sistemas sin conexión a tierra, las fallas a tierra monofásicas pueden provocar que la tensión de la fase sin falla aumente hasta el nivel de tensión de línea. Si el aislamiento es débil, esto puede provocar una avería, que se intensifica hasta convertirse en una falla entre fases. Además, la puesta a tierra por arco intermitente puede generar sobretensiones de arco, alcanzando entre 3 y 3,5 veces la tensión de fase, lo que supone una amenaza para el aislamiento del transformador.

1.3 Conexión a tierra mediante baja impedancia

Para equilibrar las ventajas y desventajas de la conexión a tierra directa y los sistemas sin conexión a tierra, método de puesta a tierra de impedanciaSe utiliza con frecuencia. Esto incluye la conexión a tierra a través de una pequeña resistencia o una pequeña reactancia.

• Puesta a tierra de baja resistenciaLimita la corriente de falla a varios cientos de amperios, reduciendo el impacto en el sistema y permitiendo al mismo tiempo una rápida operación de protección. Este método suprime eficazmente las sobretensiones y es adecuado para redes de distribución con gran cantidad de cables y altas corrientes capacitivas.
• Puesta a tierra de reactancia pequeñaPuede compensar la corriente capacitiva del sistema mediante corriente inductiva, reduciendo la probabilidad de reignición del arco. Este método se considera a menudo un método de puesta a tierra compensada.

La puesta a tierra mediante baja impedancia combina las ventajas de los sistemas directos y sin conexión a tierra, ofreciendo supresión de sobretensiones y una fiabilidad de suministro eléctrico relativamente alta. Se utiliza ampliamente en sistemas de 110 kV, especialmente en aquellos con corrientes capacitivas significativas o que requieren una alta calidad de alimentación.

2. Configuración de protección para los puntos neutros de transformadores de 110 kV

2.1 Amenazas de sobretensión

El nivel de aislamiento del punto neutro de un transformador de 110 kV es típicamente semi-aislado, con una tensión de resistencia nominal de tan solo un tercio de la tensión en el extremo de la línea. Esto hace que el punto neutro sea vulnerable a daños por sobretensión. Los tipos principales de sobretensión incluyen:

• Sobretensión de frecuencia industrial: Provocados por conmutación de líneas, cortocircuitos asimétricos o pérdida repentina de carga.
• Sobretensión de resonancia: Provocado por oscilaciones debidas a interacciones entre elementos inductivos y capacitivos durante el funcionamiento o fallos del sistema.
• Sobretensión de conmutación: Resultante de la conversión de energía magnética y electrostática durante la apertura o el cierre de interruptores automáticos.
• Sobretensión por rayo: Provocado por rayos, se caracteriza por su gran amplitud y corta duración.

2.2 Dispositivos de protección comunes

Para proteger el punto neutro del transformador, se suelen emplear los siguientes dispositivos de protección:

• Supresores de sobretensiónEstos limitan las sobretensiones por rayos y ciertas sobretensiones de conmutación. Sin embargo, los pararrayos estándar suelen ser inadecuados para el bajo nivel de aislamiento de los puntos neutros de los transformadores de 110 kV, lo que dificulta su selección.
• Brechas de aislamientoEstos dispositivos protegen contra sobretensiones de frecuencia industrial y resonancia. Cuando se produce una sobretensión, el entrehierro se interrumpe, conectando a tierra el punto neutro para limitar el aumento de tensión. Una desventaja es la dificultad para ajustar con precisión la distancia del entrehierro, lo que puede provocar una descoordinación de la protección.
• Conexión paralela del pararrayos y el espacioEste es un método de protección ampliamente utilizado. El pararrayos gestiona las sobretensiones causadas por rayos, mientras que el espacio entre electrodos protege contra las sobretensiones de frecuencia industrial y resonancia. El espacio entre electrodos también protege al pararrayos de sobretensiones excesivas de frecuencia industrial que podrían provocar su fallo. Este enfoque ofrece ventajas complementarias.

2.3 Configuración de la protección del relé

La protección mediante relés para el punto neutro de un transformador de 110 kV incluye principalmente los siguientes aspectos:

• Protección contra corrientes de secuencia ceroEn transformadores con conexión directa a tierra, la protección contra corrientes de secuencia cero se configura para eliminar rápidamente las fallas a tierra. Esta protección suele dividirse en secciones, con retardos cortos para la localización de fallas y retardos más largos para la desconexión de todos los lados del transformador.
• Protección contra sobretensiones de secuencia cero y protección contra sobrecorrientes.Para transformadores sin conexión a tierra, se configuran la protección contra sobretensión de secuencia cero y la protección contra sobrecorriente en el entrehierro. Cuando una falla a tierra provoca que el sistema pierda su conexión a tierra, lo que conlleva un aumento de la tensión en el neutro, el entrehierro se rompe. La protección contra sobrecorriente en el entrehierro o la protección contra sobretensión de secuencia cero actúan con un retardo de tiempo (0,3–0,5 s) para desconectar el transformador en todos los lados.
• Coordinación de protección de respaldoPara garantizar la selectividad, deben coordinarse los retardos de tiempo de las protecciones de secuencia cero. Por ejemplo, el retardo de tiempo de una protección de respaldo en un transformador debe ser mayor que el de la protección de línea a la que respalda.

3. Recomendaciones de optimización y análisis de casos.

3.1 Limitaciones de los métodos tradicionales

Si bien el uso de pararrayos paralelos con huecosSi bien es común, este enfoque tiene varias deficiencias:

• Dificultad en la selección del pararrayosResulta difícil encontrar pararrayos estándar que cumplan con los requisitos de alta tensión de funcionamiento continua y baja tensión residual por impulso de rayo para los puntos neutros de transformadores de 110 kV.
• Desafíos en la determinación de brechas: La tensión de ruptura del entrehierro está sujeta a dispersión, lo que dificulta la coordinación precisa del funcionamiento del entrehierro en condiciones de falla "con pérdida de tierra" y "con tierra".
• Complejidad de la protección de relésLa protección contra la "pérdida de tierra" (como la protección contra sobretensiones de secuencia cero y la protección contra sobrecorrientes en los huecos) puede fallar, lo que requiere criterios de bloqueo adicionales, lo que aumenta la complejidad y reduce la confiabilidad.

3.2 Ventajas de la puesta a tierra mediante reactancia pequeña

La investigación y la práctica indican que conectar a tierra el punto neutro mediante una pequeña reactancia.Ofrece ventajas significativas sobre los métodos tradicionales de puesta a tierra parcial:

• Requisitos de nivel de aislamiento reducidoTras adoptar una puesta a tierra de baja reactancia, el nivel de aislamiento del punto neutro del transformador puede reducirse de 35 kV a 20 kV, eliminando la necesidad de pararrayos y descargadores y simplificando la configuración de la protección.
• Modo de conexión a tierra unificadoEste método elimina la posibilidad de que se produzca un sistema aislado sin conexión a tierra, lo que permite simplificar o prescindir de la protección relacionada y, por lo tanto, mejorar la fiabilidad.
• Retención de ventajasMantiene las ventajas de la conexión a tierra parcial, como una protección de secuencia cero sencilla y fiable, al tiempo que limita las corrientes de cortocircuito monofásicas.

3.3 Análisis del caso práctico

Un ejemplo es la transformación de una subestación terminal de 110 kV. El diseño original utilizaba una pararrayos paralelo con un espaciopara la protección del punto neutro. Sin embargo, tras adoptar una puesta a tierra de baja reactancia, se redujo el requisito de nivel de aislamiento del punto neutro del transformador, se simplificaron los dispositivos de protección y se mejoró la fiabilidad operativa. Los cálculos mostraron que la resistencia de puesta a tierra podía limitar la corriente de falla a unos pocos cientos de amperios, y la protección de secuencia cero podía coordinarse fácilmente.

Otro caso involucró una falla en una subestación de 110 kV donde una falla transitoria monofásica a tierra en la línea de entrada provocó la ruptura del espacio del punto neutro y el disparo del transformador. El análisis reveló que, aunque la falla de la línea fue transitoria, retroalimentación de un gran número de motores asíncronosEn el lado de la carga se proporcionó energía para el arco, lo que mantuvo la falla. Esto pone de manifiesto que, para transformadores con cargas de motor significativas (fuentes equivalentes), la protección completa del punto neutro, que incluye protección contra sobrecorriente de secuencia cero, corriente de entrehierro y tensión de secuencia cero, es esencial durante la fase de diseño.

4. Conclusión y perspectivas

La selección del método de puesta a tierra del punto neutro de un transformador de 110 kV y su configuración de protección es una tarea multifacética que requiere considerar la estructura del sistema, las características de la carga y los requisitos de confiabilidad. Si bien el método tradicional de puesta a tierra parcial combinado con pararrayos y descargadores es común, presenta desafíos en la selección de dispositivos y la coordinación de la configuración. Método de puesta a tierra de reactancia pequeñaOfrece una alternativa prometedora, que podría reducir los requisitos de aislamiento, simplificar la protección y mejorar la fiabilidad.

Las futuras tendencias de desarrollo se centrarán en las siguientes áreas:

• Aplicación de nuevos dispositivos: Tales como espacios compuestos o espacios controlables utilizados en paralelo con pararrayos, lo que mejora la fiabilidad y la precisión de la protección.
• Tecnología de protección digital: Utilizar protección basada en microcomputadoras con algoritmos avanzados (por ejemplo, identificación de formas de onda, análisis armónico) para mejorar la sensibilidad y confiabilidad de la protección contra fallas a tierra.
• Estandarización y modularización: Desarrollar equipos de protección de punto neutro estandarizados y modulares para simplificar el diseño y el mantenimiento.

En resumen, optimizar el método de puesta a tierra del punto neutro y la configuración de protección del transformador de 110 kV es fundamental para mejorar la seguridad, la fiabilidad y la eficiencia económica del sistema eléctrico. Con los avances tecnológicos, se espera que surjan soluciones más inteligentes y eficientes, las cuales se generalicen.