INGENIERIA ELECTRICA

La teora de los lazos inductivosy las fallas de los transformadores de

distribucin en Colombia

Francisco Romn-CamposProfesor AsociadoUniversidad Nacional de ColombiaApartado Areo 80789

Este artculo tiene por objeto presentar la Teora de losLazos Inductivos - TU - como una metodologa de trabajocoherente para analizar las fallas de los transformadoresde distribucin en Colombia.

Como variables fundamentales en la formulacin de lateora se considera la relacin entre las fallas y las tormen-tas elctricas; el rea dejada en el montaje entre el para-rrayos y el transformador y los cambios de impedancia aloperar el pararrayo.

Paracomprobar la teora se analiza la relacin de las fallasde los transformadores con las tormentas elctricas envarias redes de distribucin en Colombia. Igualmente seestablece una primera relacin entre rayos medidos yclasificados por polaridad y las fallas de unidades en elmismo perodo.

Los resultados de los anlisis estadsticos demsde 3.000unidades falladas contribuyen a inferir la aplicabilidad dela teoria, por cuanto se encontraron ms de un 70% defallas involucrando tres fases.

Sepresentan finalmente las primeras simulaciones digita-les mediante el EMPT,de las que se concluye la necesidadde adoptar medidas remediables adecuadas a la realidadcolombiana.

INTRODUCCION

La continua falla de los transformadores de distribucines uno de los problemas ms crticos que afronta elSector Elctrico colombiano.

Para tratar este problema, que para 1991 puede signifi-carle a Colombia ms de 6.000 millones de pesos, seha propuesto la Teora de los Lazos Inductivos comomarco terico coherente [1], [2] que puede explicar elorigen y las principales manifestaciones esperadas delas mismas. Por esto se presentan inicialmente en esteartculo los fundamentos de la teora, destacndose losfactores interactuantes en la misma: El montaje de lostransformadores y -Los rayos negativos que impactanla lnea o en las cercanas de la misma. La exposicin dela teora finaliza con un anlisis de los valores de sobre-tensin esperados.

Segn Guhl [3] el clima es "el conjunto de los diferentesestados de tiempo posibles que se presentan sucesiva-mente a travs de largos perodos, su desarrollo cclicoanual y sus oscilaciones diurnas". Por esto es el climaun factor geogrfico a considerar para explicar lastormentas elctricas en Colombia, variable determinanteen la formulacin de la Teora de los Lazos Inductivos.Se presentan por lo tanto las determinantes geogrficasde los climas en Colombia, enfatizando en el Ciclo Anualde Lluvias, elemento relacionado directamente con lastormentas elctricas y el nivel cerunico [4].

Se complementa el aspecto geogrfico con la influenciaobservada del incremento de la actividad elctrica atmos-frica en la zona de Pereira a raz de la erupcin del volcn Nevado del Ruz [5].

Como casos concretos de la directa relacin de lastormentas elctricas con las fallas se presentan los pri-meros resultados de los conteos de los rayos en la zonacrtica de la Palma, Cundinamarca y su correlacion conlas fallas de transformadores de distribucin.

Igualmente se formulan las primeras relaciones entrerayos positivos y negativos, rayos entre nubes y seproyectan los primeros datos de densidad de rayos por

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kilmetro cuadrado para Colombia, enfatizndose en lapresencia de valores hasta ahora no esperados y queproyectan esta zona a uno de los primeros lugares deactividad elctrica atmosfrica en Colombia.

Como complemento se presentan relaciones importantesentre das tormentosos y fallas de transformadores parala zona Sur de Bogot, destacndose sitios con ms de12 transformadores fallados por kilmetro cuadrado enel perodo comprendido entre febrero de 1988 y agostode 1990. El anlisis de fallas complementado con resul-tados en la zona de la Electrificadora del Huila y Cundi-namarca con nfasis en las relaciones de las fallas y losmeses crticos.

Como complemento se formula el primer Indice de Fa-llas de Transformadores de Distribucin obtenido apartir de encuestas en las electrificadoras del pas.

la Teora de los Lazos Inductivos predice fallas trifsicasen equipos bien protegidos, anomala comprobada en elexamen de ms de 3.000 unidades falladas de la EEB.Este resultado, muy dificil de explicar en unidades dedistribucin, se constituye en un gran respaldo a la teora.

Ms adelante se discuten los factores que en cadenaactan incrementando la criticidad de las pendientes delas corrientes de los rayos y que en su rden son:-El cambio de impedancia de lnea area a la resistenciade puesta tierra en el momento de la operacin delpararrayos, acentuado por el comportamiento de la pues-ta a tierra en estado transitorio;- El cambio de impedanciade los vanos largos en lneas de distribucin que hacenms escarpada la corriente en el sitio de montaje deltransformador;- La operacin de la resistencia no linealdel pararrayos que aumenta la corriente al alcanzarse latensin de reaccin del pararrayos.

El artculo presenta finalmente los resultados de lassimulaciones computacionales con el EMPT de los mo-delos de montaje del transformador encontrndose va-lores muy consistentes con las respuestas del modelo alas fuentes de corriente que se producen en la naturalezalos rayos negativos- ya que se generan voltajes supe-riores al BIL en los terminales elel transformador.

Otras conclusiones del trabajo convergen en la necesi-dad de revisar las normas de montaje y ensayo de lostransformadores de distribucin en Colombia, haciendonfasis en los procedimientos que deben ser tenidos encuenta antes de formular cambios en la norma, dejandoabierta la posibilidad de desarrollar nuevas proteccionespara los equipos de distribucin en Colombia y lgica-mente avanzar en la medicin de los parmetros elctri-cos de los rayos colombianos.

De los anteriores anlisis, tanto geogrficos como desimulacin digital de modelos, se establece la coheren-cia de la teora de los Lazos Inductivos como marcoterico dentro del cual pueden analizarse las fallas de lasunidades de distribucin.

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1. LA TEORIA DE LOS LAZOS INDUCTIVOS

La mayora de los transformadores de distribucin enColombia y en algunos pases en el rea como son Brasily Ecuador siguen las normas de la Rural ElectrificationAssociation -REA- [6] de 1968, en la que los pararrayosse instalan en paralelo con el conjunto transformadorcortacircuitos, segn el montaje de la figura 1 [7].

Haciendo un cuidadoso anlisis del dibujo propuesto porla norma, se encuentra que los conductores de conexinentre el pararrayos y cada pasatapas del transformadorcrean una inductancia, que hemos llamado "Lazo Induc-tvo", vase Figura 2, para relacionarlo con una aplica-cin similar descrita por Prinz [8], [9], Hasse y Wiesinger[10] Y que se refiere a las tensiones electromagnticasinducidas en todos los lazos cerrados formados por lasinstalaciones domiciliarias que se encuentran en la cer-cana de los conductores que evacan las corrientes delos rayos directos que han impactado en los pararrayostipo Franklin instalados sobre los edificios o viviendas,tal como lo indica la Figura 3 [10].

El lazo inductivo opera bajo la presencia de corrientes dealta pendiente que son evacuadas por el pararrayos

1. Fusible2. Pararrayos3. Lazo Inductivo4. Transformador5. Fases.R.S.T.

y neutro N en baja tensin&. Puesta a tierra

2

5

6Figura 1:Norma colombiana para la instalacin de transformadores de distribu-cin en poste (7).

2

1. Lazo Inductivo2. Pararrayos3. Transformador4. Puesta a tierra

Figura 2.Lazo inductivo en la instalacin de transformadores de distribucin enColombia.

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(d/dt)max.

/1 4 /V,_--:-----fl ......_..111ill~I 2II

/- - - - - - T - 1:/---/ /. I .:. - -

I - - --..." ~ - 1- - -- - - - - - _-:...--.::..=..------,-1.LAZO PROPIO DEL CONDUCTOR DE PARARRAYOS TIPO

FRANKLlN CON ESPACIO DISRUPTIVO POSIBLE Sl2.LAZO PROPIO DEL CONDUCTOR DEL PARARRAYOS TIPO

FRANKLINCON ESPACIO DISRUPTIVO POSIBLE EN S23.LAZO PROPIO DEL CONDUCTOR DEL PARARRAYOS TIPO

FP.ANKLlN CON ESPACIO DISRUPTlVO POSIBLE EN S3

5

4. EDIFICIO5. PARARRAYOS TIPO FRANKLlN6. CORRIENTE DEL RAYO

FIgura 3:Tensiones inducidas en lazos, causadas por las mximas pendientesde las corrientes de los rayos (di/d)max.

generando simultneamente sobretensiones en cadauna de las tres fases del transformador.

Cuando el pararrayos conduce la corriente del rayo, elLazo inductivo acta como un espira en paralelo con eltransformador generando un voltaje dependiente de lapendiente de la corriente, el cual aparece entre cadapasatapas y el tanque del transformador y que puedeser calculado aproximadamente de la siguiente forma:

V(t) - L. (di/dt) (1)Donde:L 1: es la inductancia del lazo(di/dt) - es la pendiente de la corrienteV(t) - Voltaje generado en el lazo.

Para la instalacin normalizada en Colombia, la inductan-cia puede tomar un valor medio de 3 H para unidadesinstaladas en el poste y 4 H para unidades instaladasen estructura de dos postes tipo "H".

A partir de nuestras observaciones en diferentes ciuda-des de Colombia, se ha encontrado que estos valorespueden ser incrementados en ms de un 50%, hallndo-se casos extremos en las zonas rurales del pas quepueden ser del orden de 4 y 6 H respectivamente.

FUENTES DE ONDAS ESCARPADASDE CORRIENTE

Las tormentas elctricas son fuentes de ondas de co-rriente muy escarpadas. Los rayos negativos se carac-terizan por presentar esta propiedad, especialmente elsegundo rayo subsecuente, como lo indican Uman [11],Berger [12] y Lewis [13] y se puede apreciar en el oscilo-grama 4 captado por Berger presentado en la Figura 4.Guidice y Lo Piparo [14] indican como valores ms probables para el mximo de (di/dt) 80KA/us y los