Jiangshan Scotech Electrical Co., Limitado
Fenómenos de sobretensión del transformador y medidas de protección
Feb 06, 2026
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Con el rápido desarrollo de tecnologías como UHV y la nueva conexión a la red eléctrica, los transformadores-equipos centrales para la transmisión de energía y la conversión de voltaje-son fundamentales para la confiabilidad de las redes eléctricas y la calidad del suministro de energía. Sin embargo, los transformadores frecuentemente enfrentan la amenaza de sobretensión durante el funcionamiento: cuando el voltaje de operación excede el voltaje de trabajo máximo permitido, se produce un fenómeno de sobretensión. Esta anomalía de tensión transitoria no sólo acelera el envejecimiento del aislamiento del transformador, sino que también puede provocar directamente una rotura del aislamiento, provocando fallos en los equipos o incluso accidentes en la red. Un análisis exhaustivo de los mecanismos de generación de sobretensión y la implementación de medidas de protección específicas son esenciales para garantizar el funcionamiento seguro de los transformadores.
1. Clasificación y peligros de sobretensión
Las sobretensiones en los sistemas eléctricos se clasifican en tres tipos principales según su duración y causa:sobretensión temporal, sobretensión de conmutación, ysobretensión atmosférica (sobretensión relámpago), cada uno con distintos escenarios desencadenantes y características de peligro.
(1) Sobretensión temporal
Las sobretensiones temporales son causadas principalmente por perturbaciones-de estado estable, como fallas a tierra monofásicas-y resonancia de la red, e incluyen sobretensión de frecuencia-eléctrica, sobretensión de resonancia y sobretensión de arco a tierra.
- Sobretensión de resonanciaocurre cuando la inductancia (p. ej., inductancia de excitación del transformador, bobinas de supresión de arco) y la capacitancia (p. ej., capacitancia de línea-a-tierra, capacitancia de cable) en la red forman un circuito resonante debido a fallas u operaciones frecuentes, lo que desencadena una conversión repetida de energía eléctrica y magnética en condiciones específicas. La resonancia ferromagnética, causada por las características no lineales de la inductancia de excitación del transformador, es particularmente peligrosa, con amplitudes de voltaje que potencialmente exceden de 2 a 3 veces el valor nominal.
- Sobretensión de puesta a tierra del arcosurge de la extinción y reencendido intermitente del arco en el punto de falla durante fallas a tierra monofásicas-en sistemas sin conexión a tierra o con bobinas de supresión de arco-con conexión a tierra. Esto induce oscilaciones electromagnéticas, con amplitudes de sobretensión que alcanzan entre 2,5 y 3 veces la tensión nominal y duran de varios segundos a decenas de segundos, lo que fácilmente provoca daños por fatiga en el aislamiento.
(2) Sobretensión de conmutación
La sobretensión de conmutación surge de cambios repentinos en el estado de la red, como cambiar equipos de gran-capacidad, abrir/cerrar líneas o transformadores sin-carga, o errores operativos que desencadenan una rápida liberación de energía, lo que provoca cambios abruptos de energía electromagnética y sobretensiones. Por lo general, entre 3,0 y 4,5 veces el voltaje nominal, estas sobretensiones actúan solo durante unos pocos ciclos de frecuencia eléctrica-pero aceleran la fatiga del aislamiento con la exposición repetida en redes de distribución operadas con frecuencia.
(3) Sobretensión Atmosférica (Sobretensión Relámpago)
La sobretensión atmosférica es causada por la descarga de nubes de rayos, y se divide en sobretensión directa y sobretensión inducida por rayo:
- Sobretensión directa del rayoSe produce por la caída directa de rayos sobre equipos o conductores, generando voltajes de pulso de alta-amplitud.
- Sobretensión inducida por rayoEs inducido por cambios rápidos en los campos electromagnéticos durante las descargas de rayos.
En el sur de China,-propenso a los rayos, más del 15 % de los fallos anuales de transformadores se atribuyen a la sobretensión causada por los rayos. Las ondas de los rayos presentan frentes de onda extremadamente pronunciados (1 a 4 μs) y frecuencias altas (por encima de 100 kHz), con voltajes que alcanzan entre 8 y 12 veces el valor nominal-incluso entre 50 y 200 veces el valor nominal en casos extremos. Al invadir los devanados, la distribución desigual de la capacitancia crea gradientes de voltaje extremos en los terminales de entrada, amenazando directamente el aislamiento entre espiras y principal.
La gravedad del daño por sobretensión a los transformadores depende de la forma de onda, la amplitud y la duración: las ondas de relámpago son pulsos frontales cortos-, las sobretensiones de conmutación son pulsos frontales- largos y las sobretensiones temporales son ondas de voltaje de baja-frecuencia. El aislamiento del equipo debe probarse frente a estas formas de onda. La sobretensión del rayo plantea el mayor riesgo de rotura del aislamiento: cuando las ondas del rayo se propagan a los transformadores, los pararrayos de línea se descargan primero y las ondas residuales pasan a través del transformador hasta tierra. Si hay una distancia eléctrica entre el transformador y el pararrayos, el voltaje residual oscila y aumenta a lo largo del conductor, excediendo potencialmente el voltaje residual del pararrayos. Por lo tanto, los descargadores deben instalarse lo más cerca posible de los transformadores. Además, las sobretensiones de resonancia y conmutación, aunque de menor amplitud, tienen duraciones más largas y también pueden provocar averías.Sobretensión de transformación inversaes particularmente insidioso: cuando el lado de alto-voltaje es alcanzado por un rayo, el voltaje residual del pararrayos actúa en el devanado de alto-voltaje. La caída de voltaje de impulso a través de la resistencia de tierra se transfiere al devanado de bajo-voltaje a través de la línea neutra, y el flujo de la corriente del rayo del devanado de bajo-voltaje induce sobretensiones varias veces a decenas de veces mayores que el voltaje residual en el devanado de alto-voltaje, lo que fácilmente provoca la ruptura del aislamiento.
2. Mecanismos de generación de sobretensión
(1) Sobretensión de conmutación: oscilación transitoria de energía electromagnética
(2) Sobretensión atmosférica: fuerte invasión de ondas relámpago
(3) Sobretensión temporal: acumulación de energía y oscilación en condiciones de perturbaciones en estado-estable
(1) Sobretensión de conmutación: oscilación transitoria de energía electromagnética
Tomando como ejemplo la conmutación sin-carga de un transformador reductor-reductor-el escenario más común en las redes eléctricas-, la capacitancia del lado secundario-tiene un impacto mínimo en el lado primario cuando se convierte, por lo que puede despreciarse. El devanado primariocapacitancia de línea-a-tierra (
)ycapacitancia entre vueltas (
)se convierten en parámetros clave. Desde
En los transformadores de potencia, el efecto de la capacitancia entre espiras se puede simplificar aún más para el análisis cualitativo.
Cuando se apaga un transformador sin-carga, si la corriente sin-carga es distinta de-cero, la energía del campo magnético almacenada en la inductancia primaria
(
) y la energía del campo eléctrico almacenada en
(
) oscilan en el circuito paralelo formado por
y
. Esta oscilación, con una frecuencia de varios cientos a varios miles de Hz y que dura solo unos pocos ciclos de frecuencia de potencia-, convierte la energía del campo magnético completamente en energía de campo eléctrico cuando la corriente llega a cero, elevando el voltaje del capacitor a un máximo y provocando una sobretensión de conmutación. Una mayor inductancia del devanado y una menor capacitancia de línea-a-tierra aumentan la amplitud de la sobretensión, lo que explica por qué las sobretensiones de conmutación normalmente no superan 4,5 veces la tensión nominal.
(2) Sobretensión atmosférica: fuerte invasión de ondas relámpago
Las ondas de los rayos tienen frentes de onda pronunciados (1 a 4 μs) y frecuencias altas (por encima de 100 kHz), con una inclinación del frente de onda de hasta 500 kV/μs. Este voltaje que cambia rápidamente genera una corriente de desplazamiento significativa en los devanados. Cuando las ondas de los rayos se propagan a los terminales del transformador, actúan como señales de alta-frecuencia y alto-voltaje. A altas frecuencias, la reactancia inductiva del devanado
aumenta significativamente, mientras que la reactancia capacitiva
disminuye bruscamente, por lo que la corriente fluye principalmente a través de capacitancias entre espiras y de línea-a-tierra.
Dado que el devanado de bajo-voltaje está cerca del núcleo, su gran capacitancia de línea-a-tierra se aproxima a un cortocircuito, lo que lo conecta efectivamente a tierra. La distribución de voltaje de las ondas del rayo a lo largo del devanado está determinada por la relación de
a
: las capacitancias entre vueltas cerca del terminal de entrada transportan más corriente debido a la derivación, lo que crea gradientes de voltaje extremos donde las primeras vueltas pueden experimentar voltajes cientos de veces el valor nominal. Esta distribución desigual de voltaje es la causa principal de la falla del aislamiento entre espiras.
(3) Sobretensión temporal: acumulación de energía y oscilación en condiciones de perturbaciones en estado-estable
Las sobretensiones temporales surgen de perturbaciones-de la red en estado estacionario, con tres escenarios típicos:
- Sobretensión de frecuencia eléctrica-: causado por fallas a tierra monofásicas-, rechazo de carga o carga de línea. En sistemas efectivamente puestos a tierra, los voltajes de las fases saludables aumentan a los niveles de voltaje de la línea durante fallas monofásicas-; El rechazo repentino de la carga aumenta la velocidad del generador y la corriente de excitación no ajustada, lo que eleva los voltajes del bus entre 1,5 y 1,8 veces el valor nominal durante varios segundos.
- Sobretensión de resonancia: ocurre cuando la inductancia y la capacitancia forman circuitos resonantes debido a fallas u operaciones, lo que desencadena la conversión de energía eléctrica-magnética. La resonancia ferromagnética, impulsada por la inductancia no lineal del transformador, provoca una deriva de frecuencia y amplitudes de voltaje de hasta 2 a 3 veces el valor nominal.
- Sobretensión de puesta a tierra del arco: Inducido por extinción/reencendido intermitente del arco durante fallas monofásicas-en sistemas sin conexión a tierra, lo que causa oscilaciones electromagnéticas. La extinción del arco libera energía capacitiva a la inductancia, mientras que el reencendido amplifica la acumulación de energía, lo que genera sobretensiones de 2,5 a 3 veces la tensión nominal.
3. Medidas de protección contra sobretensiones
Se ha desarrollado un sistema de protección maduro para abordar los riesgos y mecanismos de sobretensión, combinando protección externa directa contra rayos, protección interna del devanado y medidas complementarias especializadas para garantizar la seguridad del transformador.
(1) Protección externa directa contra rayos
A nivel de subestación, la protección directa contra el rayo es la primera línea de defensa:
- Pararrayos: Desviar las corrientes del rayo a tierra, con cobertura de protección determinada por altura y número de varillas. Varias varillas amplían la cobertura. Para evitar contraataques, las rejillas de puesta a tierra deben cumplir con los requisitos de resistencia y mantener distancias seguras de los transformadores y disyuntores.
- Cables para rayos: Instalados sobre las líneas entrantes cerca de las subestaciones, reducen la probabilidad de intrusión de ondas de rayos. Cuando un rayo cae fuera de la línea protegida, la impedancia de la línea limita la corriente del pararrayos y el impulso de corona en los conductores reduce la inclinación y amplitud de la onda, lo que reduce el voltaje residual del pararrayos para una mejor coordinación del aislamiento.
(2) Protección del pararrayos: medios de protección del núcleo
Los pararrayos de red son principalmentepararrayos de óxido metálico sin espacios (MOA)ypararrayos tipo válvula con separación-, con un principio de selección compartido: la tensión nominal del pararrayos no debe ser inferior a la sobretensión temporal en el sitio de instalación, y la tensión nominal del punto neutro-no debe ser inferior a la tensión de fase máxima del transformador.
- Si el voltaje nominal es demasiado bajo: los descargadores con espacios pueden no extinguir los arcos durante fallas monofásicas-y provocar explosiones; Los MOA se degradan por una absorción excesiva de energía.
- Si la tensión nominal es demasiado alta: la tensión de descarga impulsiva y la tensión residual aumentan, lo que reduce la eficacia de la protección.
Los descargadores de tipo válvula con espacio-utilizan discos de válvula no lineales que exhiben una alta conductividad bajo grandes corrientes de rayos (manteniendo un voltaje residual bajo) y una baja conductividad a voltajes normales (limitando la corriente de seguimiento de frecuencia de potencia-). Los MOA sin espacios, que aprovechan los discos de las válvulas de óxido de zinc, suprimen la corriente de seguimiento sin espacios, ofreciendo una respuesta rápida, bajo voltaje residual y alta capacidad de corriente,-lo que los convierte en la opción principal para la protección de transformadores.
Según GB311.1-1997Coordinación de aislamiento para equipos de transmisión y distribución de alto-voltaje, los transformadores de 6kV tienen una tensión soportada al impulso de rayo de 60kV y los transformadores de 10kV de 75kV. Para sistemas de 6kV, el MOA YH5WS-10/30 tiene un voltaje residual menor o igual a 30kV, lo que proporciona un factor de coordinación de aislamiento.
. Para sistemas de 10 kV, el YH5WS-17/50 MOA produce
, cumpliendo con los requisitos de redundancia de seguridad.
Normalmente es mayor o igual a 1,4 para impulsos de rayos y mayor o igual a 1,15 para impulsos de conmutación, considerando el tipo de aislamiento, la distribución de sobretensión y el envejecimiento ambiental.
(3) Aislamiento mejorado: protección suplementaria
Para transformadores medianos y pequeños (menor o igual a 35 kV), el aislamiento mejorado es una medida complementaria clave: espesar el aislamiento del devanado de alto-voltaje y reforzar el aislamiento entre espiras en las espiras de entrada/terminales para soportar gradientes de voltaje. Sin embargo, un aislamiento más grueso perjudica la disipación de calor y reduce la capacitancia entre espiras, lo que potencialmente aumenta los gradientes de voltaje-lo que lo hace adecuado solo para escenarios de bajo-voltaje y costos-sensibles.
(4) Mayor capacitancia entre espiras: distribución de voltaje optimizada
Mayor capacitancia entre vueltas
mejora la uniformidad de la distribución de voltaje: una mayor
relativo a
Reduce los gradientes de tensión y el riesgo de sobretensión. Se utilizan técnicas como devanados entrelazados y pantallas de condensadores, particularmente en áreas propensas a rayos-como subestaciones de montaña o estaciones elevadoras-de parques eólicos.
(5) Protección contra sobretensión del punto neutro-
Para las subestaciones en áreas propensas a rayos-con fuentes de energía únicas, la intrusión de ondas de rayos trifásicos-es común, lo que requiere protección enfocada del punto neutro-. La solución principal esMOA de punto-neutro, que protegen contra sobretensiones tanto de rayos como de conmutación con respuesta rápida, baja tensión residual y alta capacidad de corriente. En provincias-propensas a rayos, como Guangdong y Guangxi, las tasas de instalación de MOA en puntos neutros-superan el 90 %. Diseñados con voltajes nominales altos, siguen siendo confiables durante cambios menores de punto neutro-y soportan voltaje de fase de frecuencia de potencia-1x durante fallas monofásicas-.
Para cambios de punto-neutro extremo (sobretensión mayor o igual a 2x voltaje de fase de frecuencia de potencia-), se utiliza un esquema paralelo de "pararrayos + separación de varilla horizontal": los pararrayos manejan sobretensiones de rayos/conmutación, mientras que los espacios limitan las sobretensiones de alta-frecuencia de potencia-en los pararrayos, creando un mecanismo de protección mutua.
(6) Protección especializada para transformadores de múltiples-devanados
Tres-transformadores de devanado (alto, medio y bajo voltaje) enfrentan riesgos de sobretensión de inducción electrostática, especialmente cuando los devanados de bajo-voltaje están abiertos. Las ondas de los rayos en el lado de alto-voltaje se transfieren a los devanados de bajo-voltaje mediante acoplamiento electrostático e inducción electromagnética, y la baja capacitancia a tierra eleva el voltaje electrostático, amenazando el aislamiento. Los pararrayos en las salidas de bobinado de bajo-voltaje suprimen directamente las sobretensiones intrusas.
Además, el voltaje de secuencia cero-de fallas asimétricas o mal funcionamiento del interruptor se transfiere a devanados de bajo-voltaje a través de un acoplamiento capacitivo. Para mitigar esto, se utilizan disyuntores de alto-sincronismo y se instalan 3 condensadores conectados en Y-en puentes de bus de bajo-voltaje para aumentar la capacitancia a tierra, absorbiendo energía de sobretensión y reduciendo la amplitud/inclinación.
(7) Protección coordinada del sistema-de baja tensión
Las líneas de alimentación largas-de bajo voltaje son vulnerables a los rayos. Cuando son impactados, las corrientes del rayo inducensobretensión de transformación inversaen devanados de alto-voltaje (2 o 3 veces el voltaje nominal) mediante inducción electromagnética, lo que amenaza el aislamiento. Los MOA del lado de bajo-voltaje suprimen el flujo de impulsos en los devanados de bajo-voltaje, bloqueando la transferencia de sobrevoltaje. Los transformadores con grupos de conexión Y/Zn11 suprimen inherentemente la sobretensión de transformación inversa, lo que proporciona una protección mejorada cuando se combinan con descargadores de bajo-voltaje.
(8) Otras Medidas de Protección Especializadas
Para escenarios de sobretensión específicos, las medidas complementarias incluyen:
1. Bobinas de supresión de arco: supresión de la sobretensión de la conexión a tierra del arco
En sistemas de distribución sin conexión a tierra o con bobina de supresión de arco-con conexión a tierra, las bobinas de supresión de arco compensan la corriente capacitiva durante fallas monofásicas-, minimizando la corriente de falla y evitando el reencendido intermitente del arco. Las bobinas-de ajuste automático rastrean-los cambios de corriente capacitiva en tiempo real, limitando la sobretensión de la conexión a tierra del arco a menos o igual a 2 veces el voltaje nominal.
2. Reactores: limitación de la conmutación y la potencia-sobretensión de frecuencia
Reactores en serie: Restrinja la corriente de irrupción del transformador y la sobretensión de conmutación aumentando la inductancia del circuito para reducir las tasas de cambio de corriente. Por ejemplo, los reactores en serie en los lados de bajo-voltaje de transformadores grandes limitan la corriente de entrada a 2 o 3 veces la corriente nominal.
Reactores en derivación: Absorbe la potencia reactiva capacitiva en líneas de transmisión largas-de alto voltaje, lo que reduce la sobretensión-de frecuencia eléctrica debido a los efectos de carga de la línea. En líneas de 500 kV, los reactores en derivación limitan la sobretensión a menos o igual a 1,3 veces la tensión nominal, protegiendo indirectamente a los transformadores.
3. Optimización del sistema de puesta a tierra: reducción del aumento potencial del suelo
Las rejillas de puesta a tierra optimizadas (p. ej., electrodos de acero revestidos de cobre-, polos de puesta a tierra adicionales) reducen la resistencia a tierra de la subestación a menos o igual a 0,5 Ω, lo que minimiza el aumento del potencial de tierra durante la caída de rayos y previene contraataques. En áreas-propensas a rayos, la "conexión a tierra independiente + conexión equipotencial" reduce aún más las diferencias de potencial de tierra.
4. Varistores y protectores contra sobretensiones (SPD): protección final de bajo voltaje-
Los varistores (MOV) o SPD en las tomas de alimentación de bajo-voltaje suprimen los rayos inducidos y las sobretensiones de conmutación, evitando la sobretensión de transformación inversa. Estos dispositivos ofrecen una respuesta de nanosegundos y un voltaje residual bajo, ideales para la protección final de sistemas de distribución de bajo-voltaje.
Protección contra sobretensión de transformadores de SCOTECH: lista completa-de soluciones de escenarios
Esta lista aborda las necesidades de protección contra sobretensión en todos los niveles y escenarios de tensión, siguiendo la lógica central deprotección directa contra rayos + limitación de tensión del núcleo + supresión especializada + coordinación del sistema. Se alinea con las características de diseño de los transformadores SCOTECH, combinando medidas de protección y soluciones personalizadas para uso directo en el diseño de proyectos, participación técnica del cliente y selección de productos.
|
Escenario de aplicación |
Condiciones operativas básicas |
Medidas de protección básicas |
Adaptación personalizada de SCOTECH |
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Subestaciones exteriores/estaciones elevadoras-para parques eólicos |
Alto riesgo de rayo directo; sobretensión combinada de rayo/conmutación; punto neutral-riesgo potencial de cambio |
1. Protección externa directa contra rayos |
1. personalizadoDevanados entrelazados/pantallas de condensadores.en los terminales de entrada del transformador para optimizar la distribución de voltaje; |
|
Subestaciones de Distribución Urbana |
Operaciones de conmutación frecuentes; sobretensión de conmutación repetida; sin rayo directo pero con riesgo de rayo inducido; bajo riesgo de resonancia |
1. Pararrayos tipo válvula-con separación lateral de alto voltaje-/MOA |
1. Aislamiento entre vueltas/tierra engrosadoen terminales de entrada de bobinado de alto-voltaje para resistir la fatiga por sobrevoltaje de conmutación; |
|
Transformadores de Distribución Rural |
Alto riesgo de rayos directos/inducidos; sobretensión significativa en la conexión a tierra del arco; Largas líneas rurales, alto riesgo de sobretensión por transformación inversa. |
1. Descargadores-montados en postes + MOA del lado de bajo-voltaje |
1. PromocionarTransformadores del grupo de conexión Y/Zn11suprimir inherentemente la sobretensión de transformación inversa; |
|
Transformadores dedicados a plantas industriales |
Sobretensión de inducción electrostática de múltiples-devanados; conmutación de sobretensión por conmutación de carga; riesgo de acoplamiento de tensión de secuencia cero-; sobretensión de transformación inversa de bajo-voltaje |
1. Descargadores independientes para cada devanado. |
1. Aislamiento reforzado independientepara cada devanado: distribución de capacitancia optimizada en los lados de alto-voltaje, aislamiento de tierra engrosado en los lados de bajo-voltaje; |
|
Transformadores de transmisión de larga-distancia |
Sobretensión de frecuencia eléctrica-por carga de línea; sobretensión de conmutación significativa debido a la conmutación de línea; propagación pronunciada de ondas de rayos |
1. MOA de alta-capacidad en lados de alto-voltaje |
1. personalizadoTransformadores de alta resistencia al impulso del rayo.adaptado a la pendiente de las ondas de rayos-de larga distancia; |
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Subestaciones Compactas/Estaciones Transformadoras Prefabricadas |
Sin protección directa independiente contra rayos; alta integración de equipos, distancias eléctricas pequeñas; Rayo inducido + sobretensión de conmutación interna. |
1. MOA integrados dentro del gabinete |
1. Posiciones de montaje de descargadores integradospara integración de descargador-transformador-de distancia cero; |
Notas complementarias
- Todas las soluciones son compatiblesCombinación integrada de transformadores y componentes de protección SCOTECH., reduciendo los costos de instalación y selección secundaria del cliente.
- Para condiciones extremas (p. ej., zonas de tormentas severas, gran altitud, mucha contaminación), opciones mejoradas comoRevestimientos aislantes anticontaminación, pararrayos de alta-corriente y terminales de puesta a tierra independientes.están disponibles.
4. Conclusión
La protección contra sobretensiones de transformadores es una tarea de ingeniería sistemática que equilibra la viabilidad técnica y la eficiencia económica, considerando la estructura de la red, el entorno operativo y las características del equipo. Desde protección externa directa contra rayos hasta pararrayos internos y refuerzo de aislamiento, complementados con bobinas y reactores de supresión de arco, se forma una red de protección integral. Los avances futuros en las tecnologías de monitoreo en línea y gemelos digitales impulsarán la evolución de la protección contra sobretensiones de los transformadores hacia sistemas inteligentes y proactivos, sentando una base sólida para redes eléctricas más confiables.
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