ES2327050T3 - Estacion transformadora electrica de media tension/baja tension. - Google Patents

Abstract

Estación transformadora eléctrica de MT/BT, que comprende un transformador de MT/BT (18), caracterizada por el hecho de que comprende, conectado entre el punto neutro de los devanados de MT del transformador y la tierra de la estación, un medio (17) de compensación de la corriente capacitiva homopolar generada por una parte de red de MT de longitud determinada a la que es susceptible de estar conectado dicho transformador, en caso de un defecto entre una fase y tierra situado en esta red.

Description

Estación transformadora eléctrica de media tensión/baja tensión.

La presente invención se refiere a una estación transformadora eléctrica de media tensión/baja tensión (MT/BT).

Como muestra la figura 1, una red de distribución eléctrica de media tensión trifásica, tal como la que se encuentra en la mayoría de los países de Europa, está constituida generalmente por los siguientes elementos:

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una estación fuente 1 que alimenta la red, en la que se encuentran un transformador de alta tensión/media tensión 2, una impedancia de punto neutro 3, y diferentes inicios de línea 4, equipados de medios de protección contra los cortocircuitos, entre los cuales unas protecciones homopolares 5 que intervienen más particularmente en caso de defecto entre una fase de la línea 6 y tierra,

-

diferentes líneas de MT 6, que pueden ser bien de tipo aéreo con conductor desnudo, o bien de tipo subterráneo o aéreo con conductor aislado con pantalla de tierra,

-

unas estaciones transformadoras de media tensión/baja tensión 7, destinadas a cubrir las necesidades de electricidad de los clientes a los que presta servicio la red.

En el pasado, las líneas de MT 6 eran esencialmente aéreas y estaban constituidas por conductores desnudos. Dichas líneas están expuestas a las condiciones climáticas (tempestades, tormentas, ...). Para hacer que las redes sean menos vulnerables y por lo tanto mejorar la calidad de servicio, los distribuidores de electricidad han sustituido parcialmente, e incluso totalmente, estas líneas aéreas por líneas subterráneas constituidas por cable de MT con pantalla periférica puesta a tierra. Por contra, si bien la fiabilidad de estas redes se encuentra notablemente mejorada, es evidente que el efecto capacitivo de estos cables podría ser nefasto para la protección de las personas y los bienes, debido a un fuerte aumento de la corriente de defecto en caso de cortocircuito entre una fase de la red y tierra. Para paliar este inconveniente, los distribuidores de electricidad han insertado una inductancia entre el neutro de la red de MT y tierra, con el fin de compensar la corriente capacitiva que aparece durante los defectos entre fase y tierra.

Como muestra la figura 2, esta inductancia 8 está situada en la estación fuente de alta tensión/media tensión, típicamente conectada al punto neutro del devanado secundario del transformador de alta tensión/media tensión 2. En paralelo a esta inductancia 8 y conectada igualmente se encuentra una resistencia 9 destinada a permitir la detección de los defectos entre fase y tierra. En esta misma figura, el efecto capacitivo de los cables con respecto a tierra queda simbolizado por los condensadores 10 de valor C. En caso de un defecto 11 entre una fase y tierra, una corriente capacitiva Ic circulará por el defecto. Esta corriente puede alcanzar valores del orden de la centena de amperios y generar tensiones de contacto o tensiones de paso peligrosas según la calidad de las tomas de tierra en el lugar del defecto. En la medida en que valor el L de la inductancia de compensación 8 es tal que se respecta la siguiente igualdad,

3LC\omega^{2} = 1

en la que

\omega = 2\pif

Siendo f la frecuencia de la red, las corrientes IC e IL se anularán y la corriente de defecto de fase a tierra Id no comprende más que la corriente IR, de un valor generalmente inferior o igual a 10 A, de hecho dependiente esencialmente del valor de la resistencia 9 y escogida de un valor justo suficiente para permitir el funcionamiento de las protecciones homopolares de la estación fuente. Se suprime así el efecto capacitivo de los cables, y el valor de la corriente de defecto Id es controlado por la entidad explotadora.

Para respetar la igualdad anterior, sea cual sea la configuración de la red, que puede cambiar según las condiciones de explotación o como consecuencia de ampliaciones, la inductancia 8 es generalmente regulable y se sintoniza permanentemente al valor eficaz de la corriente capacitiva homopolar de la red gracias a un dispositivo automático.

Sin embargo, dichas inductancias, denominadas también bobinas Petersen, son dispositivos particularmente costosos y cuyo campo de regulación puede resultar rápidamente insuficiente en caso de ampliación de la red. De aquí se deduce que el distribuidor de energía, que desea perseguir una operación de fiabilización de su red por enterramiento progresivo de las líneas, o que desea ampliar su red para garantizar la alimentación de clientes nuevos, se enfrenta a unas limitaciones económicas suplementarias debido a la necesidad de intervenir al nivel de la estación fuente y de sustituir la bobina Petersen existente.

El objetivo de la presente invención es evitar este inconveniente y permitir ampliaciones de red o el enterramiento progresivo de las líneas de la red sin tener que intervenir en la estación fuente, o por lo menos minimizando las modificaciones que se aportarán a ella. Se refiere a una estación transformadora de media tensión/baja tensión (o también de MT/BT), en la que está integrado un medio de compensación de la corriente homopolar generada por la parte de red a la que está conectada la estación.

Más particularmente, la invención tiene como objetivo una estación transformadora eléctrica de MT/BT, que comprende un transformador de MT/BT, comprendiendo dicha estación un medio de compensación de la corriente capacitiva homopolar generada por una parte de red de MT de longitud determinada a la que es susceptible de estar conectado dicho transformador, en caso de un defecto entre una fase y tierra situado en esta red.

A título de ejemplo, una red subterránea de tensión de 10 kV realizada con cables con pantalla de tierra genera una corriente capacitiva de 1,5 A/km en caso de un defecto franco entre una fase y tierra. La estación transformadora objeto de la invención permite garantizar de manera económica la compensación de una corriente para valores de hasta 15 A. Abarca así una parte de red de longitud igual a 10 km. La densidad de la vivienda en los países occidentales es tal que el número de estaciones transformadoras tiende a ser superior o igual a 1 estación de MT/BT por km de red. En consecuencia, gracias al objetivo de la invención, resulta económico proyectar ampliaciones subterráneas de red de MT, insertando, por ejemplo, en el seno de cada grupo de 10 estaciones de MT/BT nuevas, una estación de MT/BT que garantiza la compensación de la corriente capacitiva homopolar de la parte de red necesaria para la alimentación de este grupo de estaciones. De esta manera, la ampliación de la red se puede realizar evitando tener que aportar modificaciones en la estación fuente, o, como se verá más adelante, limitando estas modificaciones a un simple ajuste de la resistencia de neutro.

En un modo de realización particular, el transformador de MT/BT es un transformador en baño de aceite.

Más particularmente, el medio de compensación puede estar integrado en el baño de aceite del transformador.

Igualmente en un modo de realización particular, el medio de compensación de la corriente homopolar es una inductancia.

Más particularmente, las características de la inductancia se pueden escoger para, por una parte, garantizar la compensación de la corriente homopolar de una parte de red de MT en la que está conectada la estación y, por otra parte, no perturbar el funcionamiento de las protecciones homopolares situadas en la estación fuente que alimenta a la red de MT.

La inductancia puede ser monofásica y estar conectada entre el punto neutro constituido por los devanados de MT del transformador y la puesta a tierra de la estación.

Más particularmente, la inductancia monofásica puede estar constituida por un solenoide envuelto en un blindaje magnético.

Igualmente en un modo de realización particular, el acoplamiento de los devanados de MT del transformador es del tipo en zigzag.

Al transformador se le puede añadir además un devanado terciario de estabilización de acoplamiento en triángulo.

Igualmente en un modo de realización particular, el transformador posee una cuba y consta, en una cara lateral de dicha cuba, de un primer armario en el que se encuentran los terminales de conexión a la red de MT que posibilitan un esquema de conexiones de línea eléctrica pasante o en antena, y un segundo armario que comprende un cuadro de distribución de BT que permite la evacuación de la energía a partir de varios cables de BT.

El transformador puede integrar además un dispositivo de protección que asocia tres fusibles de MT con percutor, un dispositivo desconectador trifásico, y un dispositivo de detección de las corrientes de defecto entre fase y masa de la parte activa del transformador.

Más particularmente, la masa de la parte activa de la inductancia puede estar aislada de la caja de la estación y estar conectada eléctricamente a la masa de la parte activa del transformador.

La invención tiene igualmente como objetivo una red eléctrica de media tensión, que comprende por lo menos una estación transformada tal como se ha descrito anteriormente, y por lo menos una estación transformadora que no comprende medio de compensación de la corriente capacitiva homopolar.

Se describirá a continuación, a título de ejemplo no limitativo, un modo de realización particular de la invención, en referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que:

- la figura 1 es un esquema eléctrico de una red de distribución eléctrica de media tensión trifásica de la técnica anterior;

- la figura 2 ilustra las corrientes en la red de la figura 1;

- la figura 3 es un esquema de un tramo de red de MT que incluye una estación transformadora según la invención;

- la figura 4 ilustra las corrientes en la red de la figura 3;

- la figura 5 es un esquema de un transformador que comprende los medios de la invención;

- las figuras 6 y 7 son respectivamente un esquema y una vista en perspectiva de una estación transformadora según la invención.

La figura 3 presenta un tramo de red de MT 12, constituida parcial o totalmente por un cable subterráneo. Este tramo 12 es alimentado por una estación fuente A de referencia 1 en condiciones de explotación normal. La corriente capacitiva homopolar correspondiente a este tramo de línea es compensada por la bobina Petersen situada en esta estación fuente A. Sin embargo, como consecuencia de una indisponibilidad o de una avería de la línea situada entre la estación fuente 1 y el tramo 12, puede que sea necesario cambiar de fuente de alimentación. Al abrir el interruptor 14 y cerrar el interruptor 15, el tramo se vuelve a alimentar a partir de la estación fuente B. Con una solución anterior a la correspondiente a la presente invención, habría sido necesario modificar la sintonización de las bobinas Petersen pertenecientes respectivamente a las estaciones fuente A y B, habiendo disminuido la corriente capacitiva homopolar vista por la estación A, y habiendo aumentado la vista por la estación B. Sin embargo, en el caso de estaciones no equipadas de un sistema de sintonización automático, es necesario realizar esta operación manualmente, lo cual puede resultar restrictivo para la entidad explotadora en caso de reconfiguración frecuente de la red. Con la solución correspondiente a la presente invención, la sintonización de las bobinas Petersen no tiene que ser modificada, no siendo necesaria ninguna intervención humana.

Finalmente, si la estructura de la red de MT se presta a ello, es incluso posible sustituir la bobina Petersen por una inductancia fija claramente menos costosa que garantiza una compensación determinada de la parte permanente de la red alimentada por la estación fuente. Así, únicamente los tramos susceptibles de cambiar de fuente de alimentación se equipan con estaciones de MT/BT que integran un dispositivo de compensación específico. Se deriva de ello, para la entidad explotadora, una reducción de inversión significativa.

El hecho de multiplicar los puntos de puesta a tierra del neutro de la red de MT puede conducir a una pérdida de sensibilidad de la protección homopolar 5 de la que está equipada cada inicio de línea 4 en el nivel de la estación fuente 1. Tal como muestra la figura 4, una parte de la corriente debida al defecto y que se vuelve a cerrar inicialmente a través de la estación fuente será desviada en este momento hacia el dispositivo de compensación 17 del que está equipada o están equipadas una o varias estaciones transformadoras de MT/BT 16, y por lo tanto no será vista por la protección homopolar 5.

Sin embargo, el estudio de casos de aplicación concretos muestra que, cuando resulta necesario, es fácil mantener el nivel de sensibilidad de las protecciones modificando simplemente el valor de la resistencia 9. Para retomar el ejemplo anterior de una red de distribución de tensión de 10 kV, que comprende una longitud total de 100 km de cables de MT, lo cual implica que la bobina Petersen esté regulada a un valor sensiblemente próximo a 150 A, una resistencia de este tipo se dimensiona habitualmente para suministrar una corriente IR igual a 5 A en caso de defecto franco entre una fase de la red y tierra. En las mismas condiciones, los dispositivos de compensación 17 integrados en las estaciones transformadoras 16 suministrarán cada uno de ellos una corriente inductiva IL'' de 15 A y una corriente resistiva IR'' del orden de 0,2 A, debido a las pérdidas óhmicas en el dispositivo. Imaginando una situación en la que la red referida se extiende por una longitud acumulada de 100 km de cables, constando de aproximadamente 100 estaciones de MT/BT entre las cuales 10 estaciones integran un dispositivo de compensación 17, la sensibilidad de las protecciones se mantendrá a un nivel satisfactorio dividiendo simplemente por 2 el valor de la resistencia 9. Sin embargo, es fácil efectuar una modificación de este tipo que se corresponda con una inversión muy limitada.

Se describirá a continuación el modo de realización de estaciones transformadoras de MT/BT equipado de un dispositivo de compensación de la corriente capacitiva homopolar de la red. Una estación transformadora comprende entre sus componentes un transformador de MT/BT, generalmente en baño de aceite. La figura 5 presenta el esquema eléctrico del transformador del cual está equipada la estación objeto de la invención. Este transformador 18 consta de devanados primarios o de MT 19 y de devanados secundarios o de BT 20. Tratándose de un transformador trifásico, los devanados de las tres fases pueden estar conectados en triángulo, en estrella o en zigzag. El acoplamiento en zigzag resulta en este caso más particularmente interesante ya que ofrece una impedancia homopolar muy pequeña y por lo tanto se puede utilizar para crear un punto neutro. Según un modo de realización preferido, la estación transformadora objeto de la invención constará, por lo tanto, de un transformador trifásico cuyos devanados primarios 19 están conectados según un acoplamiento de tipo en zigzag. De este modo se puede insertar entre el punto neutro 21 así obtenido en el transformador y tierra de la estación una inductancia monofásica 17 de características seleccionadas, que compensará un cierto valor de corriente capacitiva homopolar de la red al entregar, por ejemplo, una corriente reactiva de 15 A bajo plena tensión homopolar.

Esta inductancia puede estar aislada en el aceite mineral, lo cual presenta la ventaja de permitir una reducción de su espacio ocupado y también de estar insertada directamente en la cuba del transformador. Según un modo de realización preferido, la misma está constituida por un solenoide realizado a partir del bobinado de un hilo conductor aislado.

Para proteger el entorno de la inductancia contra los efectos del campo magnético generado cuando la misma es atravesada por una corriente, se dispone un blindaje magnético en torno al solenoide para permitir que las líneas del campo se vuelvan a cerrar de manera controlada.

La inserción de una inductancia entre el neutro del transformador y tierra exige sin embargo ciertas precauciones, especialmente cuando el transformador de MT/BT de la estación es susceptible de alimentar una carga de BT desequilibrada, lo cual es así en general en el medio rural. Este desequilibrio se traduce en la figura 5 en una corriente que circula en el neutro de BT igual a 3 veces la corriente homopolar Io. En efecto, esta corriente homopolar de BT podría generar una corriente homopolar de tipo MT que, al atravesar la inductancia de compensación 17, crearía una tensión homopolar no deseable. Para evitar este inconveniente, según otro modo de realización preferido, el transformador 18 está dotado de devanados terciarios 22, denominados devanados de estabilización, que están conectados en triángulo. De esta manera, la corriente homopolar de BT Io será compensada por una corriente de circulación en el triángulo de los devanados de estabilización 22 sin influir en los circuitos de MT.

Una estación transformadora está constituida generalmente por una caja, la cual contiene diferentes componentes, entre los cuales los principales son una aparamenta de conexión y accionamiento de MT, un transformador de MT/BT, un cuadro de distribución de BT. Según un modo de realización preferido, presentado en las figuras 6 y 7, la estación transformadora objeto de la invención no comprende aparamenta de MT y está constituida esencialmente por el transformador, el cual consta, en la cara lateral más grande de su cuba 23, de un primer armario 24 en el que se encuentran los terminales de conexión a la red de MT 25, y de un segundo armario 26 que comprende el cuadro de distribución de BT 27. Se obtiene así un conjunto de gran compacidad, de constitución totalmente monolítica, de un coste reducido con respecto al de estaciones convencionales y que permite una puesta en marcha muy fácil.

La conexión a la red se puede realizar según un esquema en antena, constando el transformador de tres pasamuros de MT 25. No obstante, también se puede realizar según un esquema de línea pasante o denominado también en bucle abierto. En este caso, el transformador está equipado de seis pasamuros de MT 25 asociados dos a dos.

La conexión directa del transformador a la red de MT implica ciertas disposiciones contra los efectos de los defectos internos al transformador. En efecto, al ser la red de alimentación de MT particularmente intensiva, un arco eléctrico que aparezca en el baño de aceite del transformador podría provocar efectos térmicos y mecánicos que se tradujeran en manifestaciones exteriores peligrosas para las cercanías de la estación. Se prevé por lo tanto que el transformador integre un dispositivo de protección y de interrupción tal como el descrito en las patentes EP 0817346 y EP 1122848 presentadas por la solicitante. Este dispositivo asocia fusibles de protección de MT 28 dotados de percutores 29, un dispositivo de desconexión de MT trifásico 30, y un dispositivo de detección de una corriente de defecto a tierra 31. Para integrar la inductancia de compensación en el dispositivo de protección, la masa de la misma, constituida por el blindaje magnético que la envuelve, está aislada de la masa general de la estación y está conectada gracias a una conexión galvánica 32 con la masa de la parte activa del transformador al dispositivo de detección de una corriente de defecto a tierra 31. Por otro lado, la característica eléctrica de los fusibles 28 se escoge de modo que los mismos sean insensibles a la corriente que los atravesará durante los diferentes defectos entre fase y tierra que aparecerán en la red.

Finalmente, una estación transformadora de este tipo, tal como la que se presenta en la figura 7, puede estar equipada o no, indistintamente, de una inductancia de compensación 17, según las necesidades del proyecto de evolución de la red. Cualquiera que sea la versión, la cuba 23, los armarios 24 y 26, los equipos 25 y 27, el dispositivo de protección y desconexión interna constituidos por los fusibles 28, los percutores 29, el desconectador 30 y el dispositivo de detección de las corrientes de defecto a tierra 31 siguen siendo comunes. El transformador 18 consta por lo tanto de unos devanados primarios de MT 19 acoplados en triángulo, unos devanados secundarios de BT 20 en estrella, y no consta de devanados de estabilización 22.

Claims (13)

1. Estación transformadora eléctrica de MT/BT, que comprende un transformador de MT/BT (18), caracterizada por el hecho de que comprende, conectado entre el punto neutro de los devanados de MT del transformador y la tierra de la estación, un medio (17) de compensación de la corriente capacitiva homopolar generada por una parte de red de MT de longitud determinada a la que es susceptible de estar conectado dicho transformador, en caso de un defecto entre una fase y tierra situado en esta red.

2. Estación transformadora según la reivindicación 1, en la que el transformador de MT/BT es un transformador en baño de aceite.

3. Estación transformadora según la reivindicación 2, en la que el medio de compensación está integrado en el baño de aceite del transformador.

4. Estación transformadora según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el medio de compensación de la corriente homopolar es una inductancia.

5. Estación transformadora según la reivindicación 4, en la que las características de la inductancia se escogen para, por una parte, garantizar la compensación de la corriente homopolar de una parte de red de MT en la que está conectada la estación y, por otra parte, no perturbar el funcionamiento de las protecciones homopolares situadas en la estación fuente que alimenta a la red de MT.

6. Estación transformadora según una cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, en la que la inductancia es monofásica y está conectada entre el punto neutro constituido por los devanados de MT del transformador y la puesta a tierra de la estación.

7. Estación transformadora según la reivindicación 6, en la que la inductancia monofásica está constituida por un solenoide envuelto en un blindaje magnético (masa de la inductancia monofásica).

8. Estación transformadora según la reivindicación 7, caracterizada por el hecho de que el acoplamiento de los devanados de MT del transformador es del tipo en zigzag.

9. Estación transformadora según la reivindicación 7 u 8, que comprende un devanado terciario (22) de estabilización de acoplamiento en triángulo añadido al transformador.

10. Estación transformadora según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que el transformador posee una cuba (23) y consta, en una cara lateral de dicha cuba, de un primer armario (24) en el que se encuentran los bornes de conexión (25) a la red de MT que posibilitan un esquema de conexiones de línea eléctrica pasante o en antena, y un segundo armario (26) que comprende un cuadro de distribución de BT (27) que permite la evacuación de la energía a partir de varios cables de BT.

11. Estación transformadora según la reivindicación 10, en la que el transformador integra un dispositivo de protección que asocia tres fusibles de MT (28) con percutor (29), un dispositivo desconectador trifásico (30), y un dispositivo (31) de detección de las corrientes de defecto entre fase y masa de la parte activa del transformador.

12. Estación transformadora según la reivindicación 11, en la que la masa de la inductancia está aislada de la masa general de la estación y conectada eléctricamente a la masa de la parte activa del transformador.

13. Red eléctrica de media tensión, caracterizada por el hecho de que comprende por lo menos una estación transformadora según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, y por lo menos una estación transformadora que no comprende medio de compensación de la corriente capacitiva homopolar.