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• Mauricio Morales

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PROTECCIONES ELÉCTRICAS DE TRANSFORMADORES

Máquinas Eléctricas

03/03/2017

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•Introducción: •Los transformadores de potencia son los equipos de mayor costo en las subestaciones de transformación, además de fundamentales en la salida de la potencia generada en las subestaciones de centrales de generación y vitales en todos los casos para el normal funcionamiento del sistema eléctrico de potencia.

•Cuando ocurre una falla en un transformador, el daño es normalmente severo. El transformador debe ser transportado para ser reparado, lo cual toma un tiempo considerable. Operar un sistema de trasmisión con un transformador fuera de servicio es siempre muy complicado. •Frecuentemente, el impacto de una falla un transformador es más serio que la salida de servicio de una línea.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Tipos de fallas en un transformador: Los devanados y el núcleo del transformador están sometidos a diferentes fuerzas durante la operación normal: Vibración Expansión y compresión debido al ciclo térmico Calentamiento debido al flujo magnético Fuerzas debido a corrientes de falla Calentamiento debido a sobrecargas, o refrigeración inadecuada Estas fuerzas pueden causar deterioro y falla de la aislación.

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• Causas: • Falla en los arrollamientos: Algunas de las razones que llevan a este tipo de fallas son: deterioro de la aislación, defectos de fabricación, sobrecalentamiento, stress mecánico, vibraciones. • Terminales y conmutador en vacío: Fallas debido al montaje incorrecto, daño durante el transporte, vibraciones excesivas o diseño inadecuado. • Fallas en los bushings: Las causas para este tipo de falla incluyen vandalismo, contaminación y animales. • Conmutador bajo carga: Estas fallas pueden ser debido al mal funcionamiento del mecanismo, problema de contacto, contaminación del medio aislante. Los conmutadores bajo carga generalmente se utilizan en las empresas eléctricas más que en el sector industrial, debido a su alto costo. • Falla en el núcleo: ésta es poco frecuente y se da por sobreflujo en el circuito magnético.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Objetivos de las protecciones: Proteger el sistema de potencia de las fallas que se puedan producir en el transformador. Proteger el transformador de las fallas o perturbaciones que se puedan producir en el sistema de potencia. Proteger el transformador de las fallas que se puedan producir en el mismo.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Objetivos de las protecciones: •Limitar la degradación de los materiales de aislación y el quemado de los materiales de aislación por efecto de las sobretemperaturas provocadas por las corrientes de valores superiores al valor nominal. •Evitar las sobretemperaturas en el aceite refrigerante y en los líquidos sintéticos refrigerantes. •Evitar la perforación por arco eléctrico de los materiales de aislación provocados por altos gradiente de potencial eléctrico (kV/mm), motivados por sobretenciones provenientes del exterior por descargas eléctricas, maniobras de desconexión y conexión de componentes y equipos eléctricos, caída de un conductor de una línea de alta tensión sobre una línea de menor tensión. •Evitar las deformaciones en las cubas, incendios y explosiones de los transformadores en aceite, provocadas por cortocircuitos de altas corrientes y largos tiempos de duración.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Causas de defecto en la aislación: • Sobretensiones . • Calentamiento inadmisible de los devanados. Las sobretensiones, se protegen mediante descargadores de sobretensión ubicados en la proximidad del Transformador. El descargador de sobretensión es un dispositivo eléctrico de protección, compuesto por una serie de elementos resistivos no lineales conectados en serie, fabricados a base de óxido de zinc.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores • Calentamiento de los bobinados: Tipo de falla

Protección usada

Falla entre fases en primario

Diferencial; sobrecorriente

Falla fase a tierra en primario

Diferencial; sobrecorriente

Falla entre fases en secundario

Diferencial

Falla fase a tierra en secundario

Diferencial; falla a tierra restringida

Falla entre espiras

Diferencial; buccholz

Falla en el núcleo

Diferencial; buccholz

Falla en la cuba

Diferencial; buccholz; cuba a tierra

Sobreflujo

Sobreflujo (V/f)

sobrecalentamiento

Imagen térmica; sobrecorriente

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No hay una norma que diga qué protecciones debe tener un transformador. La mayoría de las instalaciones exige un análisis de protecciones para determinar el esquema más confiable y rentable. A modo de síntesis a continuación se detallan las protecciones más comunes que se utilizan en transformadores de acuerdo a su potencia:

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Protecciones Eléctricas de Transformadores •Transformadores de distribución de hasta 33 kV y 2500 kVA: Los transformadores de media tensión y bajas potencias pueden protegerse del lado de media tensión con seccionadores fusibles (a continuación se da una tabla con los valores nominales de las corrientes de los fusibles en función de la tensión y de la potencia nominal de los transformadores); y con fusibles o relé térmico del lado de baja tensión.

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Protección contra fallas a tierra

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Protecciones Eléctricas de Transformadores •Transformadores de potencia superiores a los 5 MVA: Un sistema de protección de un transformador de potencia superior a 5 MVA debe tener al menos las siguientes protecciones

•Relé detector de gas (Relé Buchholz) •Relé de imagen térmica •Termómetro •Protección diferencial contra fallas entre fases •Protección contra sobreflujo •Protección de sobrecorriente

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•Transformadores de potencia inferiores a los 5 MVA Un sistema de protección de un transformador de potencia inferior a 5 MVA debe tener al menos las siguientes protecciones

•Relé detector de gas (Relé Buchholz) •Relé de imagen térmica •Protección de sobrecorriente •Protección contra fallas a tierra

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Descripción de las protecciones •Relé detector de gas o Buchholz: (63) Ubicación: debe intercalarse en el tubo que une la cuba del transformador al conservador de aceite.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores •Las irregularidades en el funcionamiento de los transformadores dan origen a calentamientos locales en los arrollamientos y en consecuencia a la producción de gases de aceite, cuya cantidad y rapidez en su desarrollo crecen sensiblemente a medida que se extiende la avería.

•Se indica a continuación diferentes casos que suelen presentarse y que producen gases: a) En casos de ruptura de una conexión se produce un arco que se alarga rápidamente por la fusión de los conductores y que, ensebándose seguidamente con otra parte del bobinado dará lugar a un cortocircuito con todas las consecuencias perjudiciales.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores b) Cuando existe una falta de aislamiento con la masa, se produce un arco entre este punto del bobinado y la cuba u otra parte del cuerpo del transformador, el cual volatiliza el aceite y fluye a este lugar del bobinado, provocando serias quemaduras. Ésta perforación a la masa es a menudo causada por las sobre tensiones.c) En caso de cortocircuito o sobrecarga brusca, se producirá un aumento fuerte de temperatura y principalmente en las capas interiores del arrollamiento. El aceite contenido en las bobinas se volatiliza y descompone rápidamente; los gases resultantes son lanzados bruscamente como por una explosión desde interior de los arrollamientos en forma de pequeñas burbujas.-

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Protecciones Eléctricas de Transformadores d) A causa de la modificación de las propiedades químicas del aceite que reducen su rigidez electroestática, es posible que ciertas partes del arrollamiento estén sometidas a sobre tensiones muy elevadas, y ello da origen a descargas cuya repetición puede dañar seriamente al transformador. Estas descargas descomponen al aceite y provocan la formación de gas. e) Si las juntas entre los núcleos y las culatas no están bien establecidas, o si el aislamiento de los bulones que comprimen los paquetes de planchas es defectuoso, pueden producirse corrientes de Foucault intensas. Este accidente provoca igualmente un aumento local de temperatura, produciendo gases.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores La siguiente Figura muestra un Relé Buchholz. La caja a, que está normalmente llena de aceite, contiene a los flotadores B1 y B2 móviles alrededor de sus ejes. Cuando por causa de un defecto poco importante se producen pequeñas burbujas de gas, éstas se elevan en la cuba hacia el tanque conservador de aceite y son captadas por el aparato y almacenadas en la caja, cuyo nivel de aceite baja progresivamente. El flotador superior B1 se inclina y cuando la cantidad de gas es suficiente cierra los contactos que alimentan los circuitos de alarma asociados a B1. Una mirilla que contiene la caja permite observar la cantidad y el color de los gases captados. De la primera se obtiene la indicación de la importancia del defecto

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Del color de los gases se deduce el lugar de la producción del defecto, así: los gases blancos provienen de la destrucción del papel, los gases amarillos se producen por el deterioro de las piezas de madera, y los humos negros o grises son provocados por la descomposición del aceite. El flotador inferior B2 conserva su posición de reposo si el desprendimiento de gas es lento. Si el defecto se acentúa, el desprendimiento se hace violento y se producen gruesas burbujas, de modo que el aceite es enviado bruscamente por choque a través del tubo y hacia el conservador de aceite. Esta corriente rodea el flotador B2, arrastrándolo, y ello provoca el cierre de sus contactos que accionan el mecanismo de desconexión de los interruptores de AT y BT poniendo al transformador fuera de servicio.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores El mismo resultado se obtiene en caso de sobrecarga peligrosa para el transformador. Las numerosas pequeñas burbujas expulsadas de todo el bobinado a causa del calentamiento de los mismos, actúan como si se tratara de gruesas burbujas a modo de choque, que lanza bruscamente el aceite y arrastra el flotador B2. Esta acción es tan rápida que la desconexión se produce antes de que el transformador pueda ser averiado por la sobrecarga. Los contactos son así mismo accionados cuando el nivel del aceite desciende por debajo de un límite determinado, bien por defecto de control o por causa de una fisura en la cuba.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Sobre la tapa del instrumento van fijados los bornes de contactos que cuando se trata de instalaciones a la intemperie se protegen por medio de apropiada cubierta. Un grifo h permite la salida de los gases acumulados en la caja, a los cuales se inflama para apreciar si se trata de gases de aceite o de aire que hubiese penetrado en el transformador. Otro grifo de ensayo i permite comprobar, haciendo funcionar el aparato por medio de una bomba auxiliar, que los contactos, flotadores, conexiones, etc., se hallan en buen estado.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores h

B1

B2

i

a

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Acumulación de gas:

Pérdida de aceite:

Flujo de aceite:

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Relé de imagen térmica: (63) El relé de “imagen térmica” determina la temperatura de los devanados en base a la medición de la corriente que circula a través de ellos. El relé toma la señal de corriente de los devanados, usando un transformador de corriente, y la hace circular por una resistencia, que tiene la función de transmitir el calor producido por la corriente secundaria y que además debe tener una constante térmica tan próxima como sea posible a la del transformador para poder reproducir el comportamiento térmico de los devanados de manera confiable. Este tipo de relé considera tanto la temperatura del aceite como la producida por la circulación de corriente por el devanado. La resistencia conectada al transformador de corriente se encuentra inmersa en el aceite en la parte superior de la cuba conjuntamente con un sensor térmico del tipo bulbo y capilar.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores El instrumento indicador se construye en general para que accione, por contactos de máxima, una señal de alarma o provoque la desconexión del interruptor tan pronto como la temperatura sobrepasa los valores determinados.

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Termómetros: También es común encontrar en los transformadores termómetros o medidores de temperatura a base de resistencias denominados RTD (detectores de temperatura resistivos), colocados en la parte superior de la cuba. Este elemento da una medida directa de la temperatura del aceite, y en régimen normal permite conocer la temperatura de los devanados. Mediante contactos auxiliares, los termómetros pueden dar, a determinadas temperaturas, señales de alarma y/o señales de disparo.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Otro tipo de termómetro utilizado es el de puntero o bulbo y capilar también colocado en la parte superior de la cuba en contacto directo con el aceite.

Protección diferencial contra fallas entre fases:(87 T) En ausencia del relé Buchholz, la protección diferencial es el único procedimiento sensible que interviene rápidamente en caso de defectos internos del transformador.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Sin embargo ambas protecciones se complementan sin sustituirse una a la otra. Por ello en transformadores de pequeña y mediana potencia suele utilizarse exclusivamente el relé Buchholz, mientras que para transformadores de gran potencia, por su importante papel en el sistema eléctrico y su elevado coste, queda justificada la instalación de ambas protecciones. La protección diferencial está basada en la medida de las intensidades antes y después del transformador, adaptándolas en magnitud y ángulo de fase y comparándolas en el relé. Cuando se sobrepasa una relación ajustable entre la intensidad de “paso” y la diferencial, el relé actúa.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores La protección diferencial de transformador protege contra cortocircuitos entre arrollamientos que corresponden a cortocircuitos bifásicos o trifásicos, también detecta cortocircuitos entre espiras de una misma fase, y cortocircuitos a tierra, debido a que en este caso también se altera la relación de transformación cambiando la relación entre la corriente de entrada y la de salida, lo que da lugar a una corriente diferencial, cuya magnitud depende del número de espiras cortocircuitadas, el relé actuara dependiendo de la sensibilidad con la que se ajuste. Es sensible a la regulación de la tensión del transformador mediante los conmutadores bajo carga y sin tensión. También hay que tener en cuenta la corriente de inserción o inrush cuando el transformador es conectado a la red en vacío, debido a que en el instante de conexión dicha corriente puede llegar a tomar valores de varias veces la corriente nominal por algunos ciclos y el relé la puede tomar como falla

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Protección de sobrecorriente: Esta protección se utiliza para proteger al transformador frente a cortocircuitos externos en cada una de las fases o sobrecargas. Esta protección puede actuar frente a cortocircuitos trifásicos, bifásicos y monofásicos a tierra. En los transformadores pequeños, la protección de sobrecorriente se la utiliza para protegerlo de fallas internas. En los transformadores grandes, la protección de sobrecorriente se utiliza como respaldo de la protección diferencial.

a) Protección de sobrecorriente instantánea: (50) Esta protección se utiliza como protección de respaldo de la protección diferencial y como protección de cortocircuito para fallas externas. Solo se utiliza como protección principal cuando el costo de la protección diferencial no se justifica, por ejemplo para transformadores de potencias menores de los 5 MVA aproximadamente.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Actúa por corrientes de cortocircuito externos en cada una de las tres fases. El valor de ajuste es normalmente superior al valor de la corriente de inserción del transformador. Puede actuar por cortocircuitos trifásicos, bifásicos y monofásicos a tierra. Estos ajustes no se pueden asignar arbitrariamente sino que se deben corroborar con un estudio de cortocircuito que garantice que exista coordinación con los relés de protección de elementos del sistema adyacentes al transformador.

b) Protección de sobrecorriente de fase temporizada: (51) Es un relé que tiene una característica de tiempo inverso y protege al transformador de sobrecargas. Actúa por sobrecorriente en cualquiera de las tres fases. Esta protección se instala del lado primario del transformador y proporciona protección para fallas en el interior del mismo y por sobrecarga del lado secundario.

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Protecciones Eléctricas de Transformadores Protección contra sobreflujo: (24) El término sobreflujo indica una densidad de flujo excesiva en el transformador, por encima del codo de saturación. Cuando se produce una condición de sobreflujo, el núcleo se satura. Dependiendo de la duración, el sobreflujo puede ocasionar un serio daño, o simplemente deteriorar la aislación. Las causas que producen el sobreflujo en un transformador son las sobretensiones, o la operación del mismo a bajas frecuencias. El sobreflujo es motivo de preocupación en los transformadores conectados a las unidades generadoras. Una de las principales causas del sobreflujo, es el arranque y parada del generador que en esos momentos genera bajas frecuencias. El dispositivo de protección contra el sobreflujo vigila el flujo magnético, midiendo la relación tensión frecuencia (U/f); recordemos la expresión de Boucherot U1/f=4,44.Ф.N1

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Protección contra fallas a tierra cerca del neutro: (87 GD) Esta protección es una protección diferencial que detecta corrientes de fuga en las espiras próximas a la conexión del neutro. Esta es una corriente muy pequeña que va creando arcos que van degradando la aislación de a poco; y cuando es detectada se debe a que se ha producido una falla importante debido a la gran acumulación de gases. El relé diferencial normal no la detecta, debido a que al ser pequeña se encuentra dentro de la corriente de restricción o de ajuste del relé.

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Protección de cuba a tierra: (50 C) Es una protección contra contactos a tierra en el exterior y en el interior del transformador. Consiste en apoyar el transformador sobre un material aislante y conectar la puesta a tierra de la cuba con un transformador de corriente toroidal por donde pasa el conductor de tierra. En caso de producirse un contacto de las fases con la cuba, la corriente de cortocircuito a tierra es detectada por el transformador de corriente y por el relé de sobrecorriente conectado a dicho transformador; produciéndose la desconexión a través del interruptor principal.

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• Otros elementos de protección que se suelen encontrar en los transformadores de potencia son: • Válvulas de alivio: También denominada válvula de seguridad a diafragma, es un elemento que protege al transformador de una sobrepresión interna por expansión violenta de gases, es un complemento del relé Buccholz. Va conectada en la tapa de la cuba y actúa ante cortocircuitos importantes evitando la deformación de la cuba.

• Medidor de nivel de aceite: Los indicadores de Nivel de Aceite son dispositivos de medida con o sin contactos. Suelen fijarse al tanque de expansión de transformadores de distribución y potencia para medir el nivel de aceite.

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• Secador de aire: En el mantenimiento de un transformador es de vital importancia controlar la coloración de la carga del gel de sílice del secador de aire. Además es importante mantener el nivel de líquido en el vaso receptor, éste se utiliza para hacer burbujear el aire en él y de esta manera hacer decantar partículas sólidas contenidas en el aire. De lo explicado se deduce que en el vaso, quedan las partículas sólidas y la humedad es atrapada por el sílice del secador. Podemos concluir que el des humectador, además de deshumedecer el aire, lo limpia de impurezas en el mismo. El Silicagel puede regenerarse tantas veces como sea necesario, calentándolo en un horno a una temperatura de 150 a 200 ºC.