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Universidad del Valle. Cuadros, Dixon. Whitiman, Daniel. Muñoz, John. Protección en transformadores de potencia.

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Protección en transformadores de potencia. Cuadros, Dixon Efraín. Whitiman, Daniel Felipe. Muñoz, John Alexander. [email protected], [email protected], [email protected] Escuela de ingeniería eléctrica y electrónica. Universidad del Valle. Cali – Colombia.

Resumen— Este documento contiene lo respectivo al trabajo final respecto al tema de exposición proporcionado el cual trata acerca de la protección en transformadores de potencia. Dentro del documento se detallan cada una de las causas de fallos y las medidas preventivas para un efectivo sistema de protección para el transformador de potencia. Se profundiza en tres factores vitales de protección como lo son la protección diferencial, la protección contra acumulación de gases y la protección contra fallos a tierra.

I. DESARROLLO DE CONTENIDOS. A. Causas de fallas en transformadores de potencia. Los transformadores de potencia son uno de los elementos más importantes dentro del sistema de potencia, ya sea en grandes redes eléctricas como en instalaciones industriales dentro de subestaciones ya sea como elevadores o reductores. La continuidad del servicio en estos equipos es punto clave del sostenimiento del sistema por lo que los fallos en el mismo se traducen en sumas multimillonarias en pérdidas. Es por esto que es necesaria una buena técnica de diseño y construcción, pero además de esto se deben disponer de elementos de protección contra posibles fallos que puedan presentarse. El problema de protección del transformador de potencia si bien es mucho menos elaborado que el de otras máquinas, depende del tamaño del transformador (potencia) al punto tal de decir que en transformadores de 1MVA o menores es suficiente la instalación de fusibles en alta tensión o relevadores Buchholz temporizados de acción rápida. En general se debe prever fallos en el transformador de potencia con respecto a elevaciones de temperatura en el aceite para lo cual se usan termómetros especiales, protección contra sobrecargas para lo cual se emplean elementos de imagen térmica con relevadores. Aun cuando el nivel de confiabilidad del transformador en cuanto a su diseño y construcción es elevado, las condiciones de operación lo exponen a ciertos tipos de fallos como lo son las fallas en el equipo auxiliar, las fallas en la parte interior del transformador como los devanados y las conexiones y las fallas por sobrecargas y cortocircuitos internos. Los denominados equipos auxiliares dentro de un transformador de potencia pueden ser el aceite, el cual si está en un nivel muy bajo puede dejar expuestas partes activas del transformador ante rupturas dieléctricas. Para evitar esto, se instalan en el transformador medidores del nivel de aceite para verificar su correcta aplicación. Otro equipo auxiliar es el llamado colchón de gas, este se produce ante cambios en el

nivel de aceite (expansión/contracción) por lo cual no se deben construir recipientes totalmente cerrados para el transformador y en algunos casos se utiliza un tanque de expansión para minimizar estos cambios bruscos en compañía de sales de aluminio para evitar filtraciones de humedad. Otra solución es la instalación de un cilindro de nitrógeno entre el transformador y el medio exterior para controlar los niveles de presión los cuales deben mantenerse entre 0.5 y 0.8 atm. Para estos casos se adiciona a su vez alarmas ante baja presión o en su caso ante sobrepresiones. Otro elemento auxiliar son los ventiladores de aire forzado y las bombas de circulación de aceite. Estos mecanismos evitan fallos por sobrecarga ya que la misma se relaciona directamente con el aumento de la temperatura en partes activas del transformador, por lo tanto si hay fallos en el sistema de enfriamiento es necesario identificarlos, cosa que se hace normalmente con un termómetro con contactos de alarma que indican la elevación de la temperatura. En cuanto a las bombas de circulación de aceite, en ocasiones se instalan indicadores de flujo. Las fallas en la parte interior del transformador se deben principalmente a fallos entre las espiras adyacentes de un mismo devanado o bien fallas entre fases en la parte exterior o en los devanados en cuestión, además del corto circuito entre espiras de un mismo devanado o entre ellos. Otros fallos interiores son los fallos a tierra a través del devanado o bien en terminales externos, los cuales se detectan debido al desbalance en la corriente, esto puede ocurrir por falla entre espiras (contacto debido a esfuerzos mecánicos), deterioro del aislamiento por sobrecargas excesivas, perdida de alguna conexión o ruptura dieléctrica debido a algún impulso de tensión. Las fallas a tierra en cuestión son explicadas más adelante en el transcurso del documento. Las fallas debido a sobrecargas y cortocircuitos externos son las mayores causantes de deterioros en los aislamientos y fallas subsecuentes por lo que tal como se ha dicho en el transcurso de la unidad es importante la instalación de elementos de seguridad como indicadores de temperatura con alarma. Los cortocircuitos externos solo se encuentran limitados por la impedancia del transformador; de manera que al tener baja impedancia, la corriente de cortocircuito puede ser de gran magnitud al punto tal de producir desplazamientos en las bobinas o fallas en las conexiones. [2]

En cuanto a la protección por acumulación de gases, se tiene el relevador Buchholz, este tema se trata a profundidad en la siguiente unidad. El funcionamiento básico de este

Universidad del Valle. Cuadros, Dixon. Whitiman, Daniel. Muñoz, John. Protección en transformadores de potencia. elemento permite detectar fallos en el interior del transformador reflejados en otros fenómenos a veces no perceptibles pero que a medida que transcurre el tiempo pueden provocar fallos más graves que eventualmente producen daños severos al transformador. Algunos de los fallos detectables por un relevador Buchholz son la discontinuidad en cualquier conexión interna o bien en los devanados reflejado en la producción de gases al interior que activan el relevador, sobrecargas o cortocircuitos que se reflejan en un brusco aumento de temperatura que volatiza y descompone el aceite en el medio produciendo gases que activan el relevador, entre otras fallas que según el principio de funcionamiento del relevador Buchholz son detectadas oportunamente logrando una protección efectiva. En cuanto a la protección por imagen térmica, el principio se relaciona ahora con los efectos de la corriente en la temperatura interna del transformador, lo cual deforma una lámina bimetálica lo que a su vez cierra un contacto y activa el relevador; en resumidas cuentas el relevador traduce una sobrecarga o corriente en una acumulación de calor por efecto joule. A veces cuando no se toma en consideración las condiciones ambientales de funcionamiento del transformador el relevador se dispara en ocasiones innecesariamente o produce daños por su tardía activación, por lo que no es muy usado en el campo de uso común. [2]

El diagrama completo de la conexión del relevador diferencial para transformadores de potencia se muestra explícito en la Fig.2 a continuación.

Fig.2 Protección diferencial para transformadores. [2]

Si bien la estructura base de la protección en generadores es similar a la de un transformador de potencia, es necesario tener en cuenta ciertos puntos de diferenciación entre estas, algunas diferencias son: 

B. Protección diferencial en transformadores de potencia. La protección diferencial es el tipo de protección más importante empleado para la protección de transformadores de potencia contra fallos internos de fase a fase o de fase a tierra. Por lo general se aplica a transformadores con potencias superiores a 5MVA. [2] Se dice que está enfocada a fallos internos en los transformadores. En su aplicación se usa el símil a un relé diferencial para generadores. El funcionamiento básico de la protección como diagrama unifilar esta explícito en la Fig.1 a continuación.

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los transformadores tienen 2 y hasta 3 devanados con diferentes conexiones lo que no ocurre en los generadores los cuales tienen solo un devanado en el estator. En los transformadores cada devanado funciona a diferente nivel de tensión, en cambio en generadores el devanado funciona a la tensión de generación.

Ahora bien, para la protección diferencial en transformadores de potencia, se deben tener en cuenta ciertos factores claves tales como: 

Los armónicos generados en la corriente de magnetización al conectar el transformado en vacío. Para una buena protección en el transformador, es necesario que el sistema de protección se diseñe con la respectiva prevención ante los armónicos de la corriente de magnetización, esto para evitar una falsa operación del sistema. Los niveles de armónicos más notorios son los de orden bajo tales como los de nivel 3, 5, 7 y demás.

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La conexión de los transformadores de corriente mostrados en el diagrama de conexión mostrado en la Fig.1 deben tener en cuenta el desfase de las conexiones delta/estrella dentro del transformador de potencia, ya que dependiendo de la conexión la corriente que entra por un lado del relevador puede estar desfasada 30º respecto de la corriente al otro lado del mismo.

Fig.1 Diagrama unifilar - protección diferencial para transformadores. [1]

El principio de funcionamiento del sistema de protección diferencial funciona en un detector ante desviaciones de los valores de la intensidad de corriente en los extremos del relevador. Cualquier desviación se detecta como una falla en la parte protegida por el relevador, de manera que esta señal se puede usar como un indicador para el disparo de los interruptores. Es por esta razón que la efectividad de este sistema de protección se prima en la selectividad de los equipos y la rapidez de respuesta del sistema.

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Universidad del Valle. Cuadros, Dixon. Whitiman, Daniel. Muñoz, John. Protección en transformadores de potencia. Para evitar los inconvenientes con respecto a la conexión del transformador, usualmente se conectan los transformadores de corriente del diferencial en conexión opuesta a la del devanado del transformador; es decir que si el devanado del transformador se encuentra en delta, los transformadores de corriente se conectarán en estrella y viceversa. [1] Algunos avances para la efectividad del sistema de protección diferencial para transformadores se han centrado en el tiempo de respuesta y la precisión en las señales de control, algunos avances se muestran a continuación.

C. Protección diferencial en transformadores de potencia usando redes neuronales. La protección dentro de un transformador de potencia, se centra en la discriminación entre las corrientes de magnetización internas de entrada en el transformador y las corrientes de falla interna. La protección diferencial en el transformador tiene un gran poder mientras se pueda sintonizar una precisa activación en un corto tiempo de respuesta del relé. La efectividad del sistema de protección diferencial se ve afectada por las distorsiones armónicas las cuales se atenúan retrasando la activación del relé a los efectos de segundo armónico, sin embargo esto a veces se traduce en la posibilidad de dejar el transformador expuesto a fallos por largo tiempo sin protección, además de que el avance en el diseño y construcción de transformadores de potencia ha formado nuevos núcleos de material amorfo que hace que la señal disminuya la distorsión en el segundo armónico aumentando así su magnitud. Esto último hace que el retraso del relé sea más difícil de sintonizar por lo que la opción termina por ser poco efectiva. Como otra salida, se han buscado otras proporciones para determinar fallos alrededor del mismo principio de la protección diferencial a una frecuencia superior, estos son tales como la comparación de onda mediante el método de estimación, con técnicas de lógica difusa o por el método de correlación. Mediante todos estos se trató de discriminar la condición de falla interna en el transformador de la no falla del mismo. De toda esta discusión, se tuvieron en cuenta las redes neuronales artificiales (RNA) las cuales desde 994 eran muy utilizadas sobretodo en el campo de la protección del sistema eléctrico. Es de señalar que las RNA se utilizan principalmente en diferentes áreas tales como el reconocimiento de patrones, procesamiento de imágenes, la previsión de carga, análisis de calidad de la energía, y la compresión de datos. La principal ventaja del método de RNA sobre el método convencional es la arquitectura en paralelo no - algorítmica distribuida para procesamiento de la información y la capacidad inherente para tomar decisiones inteligentes. En los últimos años, también se ha informado de algunos trabajos que investigan la viabilidad de utilizar RNA para la protección diferencial del transformador de potencia.

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Dentro del diseño de redes neuronales para la protección diferencial de transformadores de potencia se presenta dos enfoques para detectar la corriente de entrada al reconocer su forma de onda, más precisamente de la forma de onda de corriente de falla interna. En este método, se utilizan dos tipos diferentes de redes neuronales artificiales para conseguir una mayor precisión en la clasificación, la baja carga computacional y una rápida respuesta del relé. Como el rendimiento de una RNA depende en gran medida de su capacidad de generalización, que a su vez depende de la representación de datos. Una característica importante de la representación de datos es de correlación. En otras palabras, un conjunto de datos que se presentan a una RNA no deben consistir en información correlacionada. Esto se debe a que los datos correlacionados reducen el carácter distintivo de la representación de los mismos, por lo que luego se introduce confusión en el modelo de la RNA durante el proceso de aprendizaje y, por tanto, la efectividad a la hora de generalizar los datos es afectada. Esto sugiere la necesidad de eliminar la correlación de los datos de la muestra antes de que se presenten a una RNA. Esto puede lograrse mediante la aplicación del Análisis de Componentes (PCA) sobre los datos de entrada fija antes de la formación de la RNA, así como proceso de pruebas. Muchos métodos han sido usados para determinar la ráfaga de magnetización en los transformadores de potencia debido a fallas internas. El artículo propone dos métodos adicionales, la Red Neuronal Principal de Análisis de Componentes y la Red neuronal de Función de Base Radial (NNPAC y el RBFNN por sus siglas en ingles), dichos métodos son usados como clasificadores. El análisis principal es el de tratar los datos del sistema para eliminar la información redundante y de esta manera realzar el modelo de corriente con el fin de diferenciar los defectos internos de la condición de sobre excitación y la ráfaga. Este algoritmo también realiza el trabajo de proporción de voltaje a frecuencia y amplitud de corriente diferencial para el funcionamiento del transformador. En una comparación entre el funcionamiento del FFBPNN (Activación directa de la Red neuronal de Propagación trasera), NNPAC y el RBFNN con el método de restricción convencional DFT se presenta la distinción entre la magnetización de la ráfaga y la condición de defecto interno de transformador de potencia. Utilizando herramientas de simulación como PSCAD/EMTDC Y MATLAB demuestran que el RBFNN tiene un reconocimiento más rápido, es más estable y confiable. [3]

D. Protección diferencial en transformadores de potencia con desplazamientos de fase no estandarizados. La protección diferencial de corriente es una de las protecciones más populares en transformadores, esta proporciona una excelente sensibilidad al fallo y por lo tanto un sistema seguro. Dependiendo de la aplicación, el tamaño del transformador, la forma de este y las conexiones del

Universidad del Valle. Cuadros, Dixon. Whitiman, Daniel. Muñoz, John. Protección en transformadores de potencia. bobinado puede variar. Algunas aplicaciones comunes en sistemas de potencia requieren la instalación de dos o tres transformadores de potencia convencional o autotransformadores, mientras que otros requieren transformadores con desplazamiento de fase (PST), transformadores Scott, transformadores LeBlanc, transformadores Zigzag con puesta a tierra. La aplicación de la protección diferencial de transformadores de potencia de tipo convencional con turnos "estándar" de fase de 30 grados, o múltiplos de 30 grados es trivial. Sin embargo, la aplicación de esta protección a los transformadores con cambios de fase no estándar es un reto para el ingeniero de protección. Dependiendo de la construcción del núcleo, algunos transformadores de potencia no introducen un cambio estándar de la fase de 30 ° o múltiplos de 30 ° grados. El empleo de la protección diferencial para estos transformadores no es sencillo, y requiere más análisis. Las principales preocupaciones serían para definir lo siguiente:    

Zona de protección, y los lugares de los transformadores de corriente. Corrientes sinuosas y cambios de fase. TC especiales - Conexiones terminales de relé. Selección del relé de protección que se puede aplicar con éxito sin la necesidad de conectar ningún CTs auxiliares costosos o equipos en general

El cambio de fase de los transformadores (PST) se utiliza para controlar el flujo de potencia activa y reactiva a través de una línea mediante la variación del ángulo de fase entre la fuente y las tensiones de carga. La PST controla la potencia mediante la inserción de una tensión de cuadratura regulada en serie con la tensión de fase del devanado en serie. Hay diferentes tipos de PST, dependiendo de su aplicación y de la construcción: cambiadores de tap’s de maniobra con o sin carga (LTC), PST con excitación Delta / Estrella o Estrella / Estrella de única configuración, con o sin regulación de la tensión de bobinado, o hexagonales diseñadas. También difieren en potencia y tensión, y ofrecen diferentes rangos de regulación de ángulo de fase. Este documento proporciona los conocimientos esenciales sobre las protecciones de transformadores diferenciales con su propia teoría y ejemplos de aplicación. [6]

E. Causas de fallas en transformadores de potencia.

II. REFERENCIAS. [1] Harper, G. E. (2005). Fundamentos de instalaciones eléctricas de mediana y alta tensión - Gilberto Enríquez Harper. In Fundamentos de instalaciones eléctricas de mediana y alta tensión (2nd ed., p. 500).

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[2] Harper, G. E. (2002). Fundamentos de protección de sistemas eléctricos por relevadores - Gilberto Enríquez Harper. In Fundamentos de protección de sistemas eléctricos por relevadores (2nd ed., p. 705). [3] Tripathy, M. (2010). Power transformer differential protection using neural network Principal Component Analysis and Radial Basis Function Neural Network. Simulation Modelling Practice and Theory, 18(5), 600–611. doi:10.1016/j.simpat.2010.01.003 [6] Sevov, L., Zhang, Z., Voloh, I., Cardenas, J., & Digital, G. E. (2011). Differential Protection for Power Transformers With Non-Standard Phase Shifts. IEEE conference publications, 301–309.