Control de CC del punto neutro del transformador

Análisis técnico del sistema de monitorización de CC del punto neutro del transformador

• Principales objetivos de controlComponente de corriente continua o cuasicontinua que circula por el conductor neutro de puesta a tierra del transformador.

• cuestión fundamental:: Evita que el transformador se "polarice en CC" debido a la inyección de corrientes CC externas.

• Principales fuentes de amenazaCaracterísticas: Corrientes inducidas geomagnéticamente (GIC), funcionamiento del bucle de tierra unipolar de los sistemas de transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC) o corrientes de polo a tierra de estaciones convertidoras, y corrientes continuas parásitas procedentes de electrolizadores de tránsito ferroviario urbano/industriales.

• Peligros de polarización de CCSaturación del núcleo del transformador: Provoca la saturación del núcleo del transformador, desencadenando un aumento drástico de la corriente de excitación y de la distorsión, el sobrecalentamiento local de los devanados y de las piezas estructurales, el aumento de las vibraciones y del ruido, el aumento de las pérdidas de potencia reactiva, y puede hacer que el equipo de protección del relé se comporte mal o se niegue a funcionar.

• función del sistemaMedición precisa, monitorización en tiempo real, alarma de exceso de límite, análisis de datos y transmisión remota de la corriente continua neutra, proporcionando una base de toma de decisiones para evaluar el estado de seguridad de los transformadores y las perturbaciones de corriente continua en la red eléctrica.

• valor técnico:: Es un medio técnico importante para salvaguardar la seguridad de los grandes transformadores de potencia, mantener el funcionamiento estable de las redes eléctricas y hacer frente a catástrofes meteorológicas espaciales como las tormentas geomagnéticas.

I. Causas y peligros de la polarización de CC

DC Bias Se trata de la generación de un flujo magnético de CC constante en el núcleo de hierro cuando fluye corriente CC en los devanados del transformador. Este flujo de CC se superpone al flujo de excitación de frecuencia industrial de CA, lo que provoca un desplazamiento del flujo en el núcleo a lo largo de un ciclo de frecuencia industrial, siendo más probable que la mitad positiva o negativa del ciclo entre en la región de saturación.

1. Análisis de las causas principales:

• Corriente inducida geomagnéticamente (GIC)El motivo: la actividad solar (por ejemplo, llamaradas, eyecciones de masa coronal) provoca cambios drásticos en el campo geomagnético, induciendo un campo eléctrico en la corteza terrestre que crea una diferencia de potencial de corriente casi directa (con un periodo de cambio de varios minutos a varias horas) en las líneas de transmisión de alta tensión de larga distancia y un bucle de corriente a través del cable neutro de puesta a tierra del transformador.

• Sistemas de transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC):: En el modo de funcionamiento de circuito de tierra unipolar, la tierra se utiliza como bucle de corriente. Parte de la corriente continua puede fluir hacia el sistema de corriente alterna a través de la red de puesta a tierra del neutro del transformador, afectando a los transformadores vecinos.

• Fuentes de alimentación de CC industriales y ferroviariasFuente de alimentación de corriente continua: Los grandes electrolizadores industriales, los ferrocarriles electrificados o los sistemas de metro urbano utilizan alimentación de corriente continua, y sus corrientes parásitas (Stray Current) pueden introducirse en la red eléctrica de corriente alterna a través del sistema de puesta a tierra.

2. Mecanismos básicos de peligro:

• Saturación del núcleo y distorsión de la corriente de excitaciónLa corriente continua: incluso pequeñas corrientes continuas (unos pocos amperios) son suficientes para saturar gravemente el núcleo de un gran transformador. Esto provoca un fuerte aumento de la corriente de excitación y la generación de un gran número de componentes armónicas de orden par (2ª, 4ª, etc.), que es la característica eléctrica más típica de la polarización de CC.

• Sobrecalentamiento localizado de bobinados y componentes estructuralesLos núcleos saturados provocan grandes fugas de flujo magnético hacia zonas exteriores al núcleo, lo que puede generar pérdidas por corrientes parásitas en devanados, abrazaderas, paredes de depósitos y otros componentes estructurales metálicos, desencadenando puntos calientes localizados que no pueden detectarse con los medios de control convencionales y, en casos graves, pueden provocar daños en el aislamiento.

• Aumento de las vibraciones y el ruidoEl efecto magnetostrictivo aumenta considerablemente cuando el núcleo de hierro está saturado y, debido a la presencia de componentes armónicos, puede provocar un aumento anormal de la vibración del cuerpo del transformador y del ruido de funcionamiento.

• Aumento de las pérdidas reactivas e inyección de armónicosLa corriente de excitación distorsionada contiene una gran cantidad de componentes reactivos, lo que aumenta la pérdida de potencia reactiva del transformador. Al mismo tiempo, se inyecta en la red un gran número de armónicos que contaminan la calidad de la energía.

• Activación incorrecta o rechazo de los dispositivos de protección por reléCorriente continua neutra: la corriente continua neutra puede saturar el núcleo de hierro del transformador de corriente (TC) utilizado para la protección, lo que provoca que el lado secundario del TC no refleje con exactitud la corriente real en el lado primario, lo que puede dar lugar a una estimación errónea o a un funcionamiento incorrecto de los dispositivos de protección clave, como la protección diferencial.

II. Composición del sistema y principio de funcionamiento

El sistema de monitorización de CC del punto neutro del transformador suele constar de cuatro partes: unidad de detección front-end, unidad de adquisición y procesamiento de datos, unidad de comunicación y software maestro de fondo.

1. Composición del sistema:

• Unidad de detección frontalEl núcleo es un sensor de corriente continua de alta precisión. Dado que los TC de inducción electromagnética convencionales no pueden medir CC, es necesario utilizar unSensores de efecto Halltal vezSensores FluxgateEste tipo de sensor determina la magnitud de la corriente midiendo el campo magnético generado por la corriente. Estos sensores determinan la magnitud de la corriente midiendo el campo magnético generado por la corriente y son capaces de medir con precisión tanto los componentes de CA como de CC. Los sensores suelen estar diseñados en una configuración de extremo abierto para facilitar su instalación sin interrumpir el cable de tierra.

• Unidad de adquisición y tratamiento de datosEsta unidad es el corazón del sistema y suele instalarse sobre el terreno en un armario de convergencia o una caja de bornes. Recibe las señales analógicas de los sensores frontales y las digitaliza mediante un convertidor analógico-digital (A/D) de alta resolución. El microprocesador de alto rendimiento integrado (MCU o DSP) utiliza algoritmos de filtrado digital (por ejemplo, filtrado de paso bajo o transformación FFT) para separar y calcular con precisión los componentes de CC y CA de la señal de corriente compuesta.

• unidad de comunicaciones: Se encarga de la transmisión remota de los datos procesados (por ejemplo, tamaño de los componentes de CC, valor eficaz de CA, información sobre alarmas, etc.) al centro de supervisión. Admite modos de comunicación por fibra óptica, Ethernet, RS-485 e inalámbrica 4G/5G y cumple las normas IEC 61850, IEC 104 y otros protocolos de comunicación de energía estándar.

• Software maestro backendSoftware maestro: desplegado en el servidor del centro de control, proporciona una interfaz gráfica de usuario (GUI). El software maestro se encarga de recibir, almacenar y mostrar los datos de todos los puntos de monitorización, proporcionando visualización de formas de onda en tiempo real, consulta de datos históricos, análisis de curvas de tendencia, gestión de eventos de alarma y generación de informes.

2. Flujo de trabajo:

El sensor de corriente continua de extremo abierto se monta en el conductor neutro de puesta a tierra del transformador -> El sensor mide en tiempo real la señal de corriente total que fluye por el conductor -> La señal se transmite a la unidad de adquisición y procesamiento de datos -> La unidad de adquisición realiza un muestreo de alta velocidad y una conversión A/D -> El procesador interno extrae el componente de corriente continua mediante algoritmos de procesamiento digital de señales -> Se realiza una comparación entre el valor de corriente continua calculado y el valor de alarma preestablecido (por ejemplo, valor de advertencia o alarma) -> Si se supera el límite, se genera un evento de alarma y se activa una salida de alarma local (por ejemplo, contacto de relé) -> Los datos y la información de alarma se cargan en la estación maestra back-end a través de la unidad de comunicación de forma periódica o cuando se activan. Comparar el valor de CC calculado con el valor de alarma preestablecido (por ejemplo, valor de advertencia, valor de alarma) -> Si se supera el límite, se genera inmediatamente un evento de alarma y se dispara la salida de alarma local (por ejemplo, contacto de relé) -> Cargar los datos y la información de alarma a la estación maestra back-end a través de la unidad de comunicación a intervalos regulares o en el momento en que se dispara el evento.

III. Cuadro de funciones básicas y parámetros técnicos

Preguntas más frecuentes (FAQ)

1. ¿Por qué no puedo utilizar un TC ordinario de protección para medir la CC del neutro?
Los TC ordinarios funcionan según la ley de Faraday de inducción electromagnética, que se basa en el principio de que un flujo magnético cambiante induce una corriente en el devanado secundario. La corriente continua produce un campo magnético constante y no puede inducir una corriente en el devanado secundario, por lo que los TC ordinarios son "ciegos" a la componente continua. Además, la corriente continua satura el núcleo del TC, lo que afecta a su capacidad para medir con precisión la componente alterna.

2. ¿Cuál es la corriente continua típica que puede circular por el punto neutro de un transformador?
No existe una norma internacional única al respecto, y suele depender del diseño del transformador, su capacidad y el material del núcleo. En general, en el sector de la energía se reconoce ampliamente que, en el caso de los grandes transformadores de potencia, las corrientes continuas de unos pocos amperios (por ejemplo, 3-5 A) pueden causar efectos de polarización de CC significativos, y hasta 10 A o más pueden suponer una amenaza grave. Por este motivo, los valores de alarma de los sistemas de supervisión suelen fijarse en niveles de amperios de un solo dígito.

3. ¿En qué se diferencia este sistema de la monitorización de la corriente neutra de secuencia cero/protección contra huecos del transformador?
El objeto y la finalidad de la supervisión son completamente diferentes. La corriente de protección homopolar es supervisada por elCorriente alterna industrial de secuencia ceroSe utiliza para juzgar el fallo a tierra del sistema o el fallo a tierra monofásico dentro del transformador. Y este sistema está especializado en la supervisiónComponente CC o casi CCLa amenaza de polarización de CC para el cuerpo del transformador causada por fuentes externas de CC (por ejemplo, GIC, HVDC) se utiliza como defensa contra la amenaza de polarización de CC para el cuerpo del transformador. Ambos son fundamentalmente diferentes en términos de tipos de sensores, algoritmos de procesamiento de señales y escenarios de aplicación.

4. ¿Todos los grandes transformadores requieren este sistema?
No todos los transformadores corren el mismo riesgo. La mayor prioridad para el despliegue del sistema se da a los transformadores en las siguientes zonas: latitudes altas (alto riesgo de GIC), cerca de estaciones convertidoras de transmisión de CC UHV, y en subestaciones centrales cercanas a líneas ferroviarias urbanas o grandes instalaciones industriales que utilizan CC. La instalación del sistema es una medida preventiva importante para garantizar el funcionamiento seguro de los transformadores de gran capacidad de ultra-alta tensión y extra-alta tensión en estas zonas.