Mètodes de connexió a terra neutre del sistema elèctric: una guia completa per a enginyer elèctric

Introducció

 

En els sistemes d'alimentació elèctrica, la manera com el punt neutre d'un transformador o generador està connectat a terra té un paper crític a l'hora de determinar la seguretat, la fiabilitat i el disseny d'aïllament del sistema. El mètode de connexió a terra del neutre afecta directament la magnitud del corrent de falla, els nivells de sobretensió, la complexitat de l'esquema de protecció i la qualitat general de l'energia.

L'elecció del mètode de connexió a terra neutre adequat és una de les decisions de disseny més fonamentals en l'enginyeria del sistema elèctric. Aquesta guia completa explora els tres mètodes de connexió a terra de punt neutre més àmpliament adoptats als sistemes d'alimentació, els seus principis de funcionament, avantatges, limitacions i escenaris d'aplicació típics.

Classificació dels mètodes de connexió a terra neutres

 

Els mètodes de connexió a terra del neutre del sistema elèctric es classifiquen àmpliament endues categories:

1. Sistemes de corrent de falla-grans a terra

En aquests sistemes, el punt neutre està directament connectat a terra o a terra mitjançant una impedància baixa. Quan es produeix una fallada d'una-fàs-a-terra, un gran corrent de curt-circuit flueix a través del camí de la fallada, la qual cosa permet una detecció ràpida i selectiva de fallades mitjançant relés de protecció.

2. Petits sistemes de corrent de falla-de terra

En aquests sistemes, el punt neutre no està connectat a terra, a terra mitjançant una bobina de supressió d'arc (bobina de Petersen) o a terra mitjançant una alta impedància. El corrent de falla a terra-és significativament més petit en comparació amb els sistemes de corrent-de falla a terra grans, cosa que permet un funcionament continuat temporal però requereix mecanismes de detecció especialitzats.

Entre totes les configuracions de connexió a terra neutre, tres mètodes s'utilitzen més habitualment a tot el món:

Sistema neutre sense connexió a terra(punt neutre no connectat a terra)

Sistema de bobina de supressió d'arc a terra(punt neutre posat a terra mitjançant una bobina de Petersen)

Sistema neutre sòlidament connectat a terra(punt neutre connectat directament a terra)

 

1. Sistema neutral sense connexió a terra

 

Principi de funcionament

En un sistema neutre sense connexió a terra (també conegut com a sistema neutre aïllat), el punt neutre del transformador o generador no està connectat físicament a terra. Quan es produeix una falla-de fase-a-a terra en aquest sistema, la falla no crea un camí de curt-circuit. En canvi, el corrent que flueix pel punt de falla és únicament el corrent capacitiu del sistema, que flueix a través de la capacitat distribuïda de les fases sense -falla a terra.

Característiques clau

Continuïtat del subministrament

Un dels avantatges principals del sistema neutre sense connexió a terra és que una falla a terra d'una-fàsica no interromp l'alimentació. Com que les tensions de fase-a-es mantenen sense canvis, les càrregues connectades a través de la tensió de fase-a-poden continuar funcionant amb normalitat. Això fa que el sistema sense connexió a terra sigui especialment atractiu per a instal·lacions industrials on la continuïtat del servei és crítica.

Elevació de tensió en fases sense-falla

Tanmateix, aquest avantatge comporta un risc important. Quan una fase està connectada a terra, la tensió de les fases sense -falla augmenta fins a √3 vegades (aproximadament 1,732 vegades) la seva tensió normal de fase-a-a terra. Això significa que l'aïllament de tots els equips del sistema està sotmès a la tensió de línia-a-durant una fallada a terra.

⚠️ Nota tècnica:No es permet un funcionament prolongat en condicions de falla a terra-monofàsiques. La tensió elevada a les fases sense -falla pot provocar una ruptura de l'aïllament en els punts febles, que pot provocar un curtcircuit a terra de dues fases--, una falla molt més greu que pot causar danys importants a l'equip.

Connexió a terra d'arc intermitent i sobretensió

El problema de l'-extinció automàtica de l'arc

Quan elcorrent de falla{0}}capacitiu a terraés relativament gran, l'arc al punt de falla es fa difícil d'extingir-un mateix. En alguns casos, anarc intermitent- un que s'apaga i s'encén periòdicament - es pot formar a la ubicació de la falla a terra.

Mecanisme de sobretensió

La xarxa elèctrica és essencialment un circuit d'oscil·lació LC compost per inductància i capacitat. Un arc intermitent genera oscil·lacions d'alta-freqüència, produint sobretensions a l'aïllament de fase-a-terra que poden arribar2,5 a 3 vegades la tensió de fase normal (Ux).

Aquestes sobretensions es propaguen per tota la xarxa connectada elèctricament, augmentant dràsticament el risc d'inflamació d'aïllament en altres fases - que pot augmentar en unfalla a terra bifàsica-i causar danys greus als equips elèctrics.

 

Límits i normes actuals

 

Per evitar danys per sobretensió relacionats amb l'arc-, els estàndards del sector imposen límits estrictescorrent capacitiu{0}}falla a terraen sistemes sense connexió a terra:

Nivell de tensió	Corrent capacitiu de falla-màxim a terra	Raonament
3-10 kV	Menor o igual a 30 A	L'arc no s'{0}}extingeix per sobre d'aquest llindar
20-60 kV	Menor o igual a 10 A	Una tensió més alta fa que els arcs siguin més difícils d'extingir; la sobretensió és més perillosa per a l'aïllament

PerXarxes de 3-10 kV, si el corrent capacitiu de terra monofàsica-supera els 30 A, l'arc al punt de fallada no s'extingeix automàticament-. PerXarxes de 20-60 kV, la situació és encara més crítica - la sobretensió causada per arcs intermitents és més gran, cosa que suposa un major perill per a l'aïllament de l'equip, i la tensió més alta dificulta l'auto-extinció de l'arc. Per tant, el límit de corrent de falla a terra-es redueix a 10 A a aquests nivells de tensió.

 

Requisits de seguiment i protecció

 

En sistemes neutres sense connexió a terra, s'han d'instal·lar dispositius especialitzats de control de fallades a terra{0}}. Aquests dispositius permeten als operadors:

Detecteu ràpidament les fallades a terra-monofàsiques mitjançant esquemes de relés de tensió que supervisen la tensió de seqüència zero- (tensió de desplaçament)

Identifiqueu l'alimentació avariadautilitzant relés direccionals de falla a terra-o mètodes d'injecció de polsos

Aïllar la secció falladaabans que es converteixi en una falla més greu

Consideracions de disseny d'aïllament

Com que les tensions de fase no-d'error s'eleven alínia-a-tensió de líniadurant una fallada a terra, tot l'aïllament de fase-a-a terra en sistemes sense connexió a terra s'ha de dissenyar perlínia completa-a-tensió de línia, no només la tensió de fase-a-terra. Això augmenta els costos d'aïllament, especialment a nivells de tensió més alts.

 

Aplicacions típiques

El sistema neutre sense connexió a terra s'utilitza habitualment en:

Xarxes industrials de baixa i mitjana tensió(3–10 kV) on es prioritza la continuïtat del servei

Sistemes auxiliars de les centrals elèctriqueson el funcionament temporal de falla a terra sigui acceptable

Sistemes amb baixa corrent capacitiva total(xarxes de cable curt, xarxes de línies aèries)

Resum d'avantatges i inconvenients

 

Avantatges dels sistemes neutres sense connexió a terra

Alimentació ininterrompudadurant falles a terra-monofàsiques

Baix corrent de falla a terra{0}minimitza els danys a la ubicació de la falla

No cal ensopegar immediatament- dóna temps per a la localització de l'error i l'aïllament planificat

Tensió de pas i tacte reduïdesdurant falles a terra

Inconvenients dels sistemes neutrals sense connexió a terra

Risc de sobretensió- arcs intermitents poden provocar una sobretensió de 2,5 a 3 vegades

Cal un aïllament complet de la línia-a-- augmenta el cost de l'equip

Detecció de fallades difícils- El corrent de falla a terra-petit fa que la protecció selectiva sigui un repte

Risc d'escalada de fallesEl funcionament prolongat de - pot provocar falles a terra en dues-fases

Límits de corrent capacitiu estrictes- no és adequat per a xarxes amb gran corrent capacitiu

 

Conclusió

 

Elsistema neutre sense connexió a terraofereix valuosos avantatges de continuïtat del servei, especialment en aplicacions industrials de mitjana{0}}tensió. Tanmateix, les seves limitacions -, inclosos els riscos de sobretensió, els límits de corrent capacitiu estrictes i les penalitzacions de costos d'aïllament - s'han d'avaluar acuradament durant el disseny del sistema.

Quan el corrent capacitiu de falla a terra-supera els límits permesos, el sistema ha de passar a unSistema de bobina de supressió d'arc a terrao adoptar mètodes alternatius de connexió a terra. En el nostre article complementari,"Bobina de supressió d'arc i connexió a terra sòlida en sistemes d'alimentació: immersió tècnica profunda",explorem amb detall aquests dos mètodes crítics de connexió a terra, inclosos els seus principis de funcionament, esquemes de protecció i directrius d'aplicació per a xarxes d'energia d'alta-tensió.