Protección de Transformadores

2Proteccin de Transformadores de potenciacontra defectos internos

Andrs Granero

Proteccin de Transformadores de Potencia contra defectos internos

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Proteccin de Transformadores de potenciacontra defectos internos

La proteccin del transformador es una condicin impuesta por su coste y por su importancia en el proceso productivo, pero adems deatender la seguridad en la explotacin, las protecciones tambin salvaguardan la integridad fsica de las personas que los manipulan,

mantienen o simplemente los utilizan.

Andrs Granero

l transformador de potencia es sin duda alguna uno de los equipos ms importantes de un sistema elctrico,pieza bsica del transporte y distribucin de energa elctrica. Sencillo, eficaz y fiable, constituye lamquina de rendimiento ms elevado debido a su particular faceta de no tener ningn rgano mvil.Los defectos y averas internas en un transformador de potencia normalmente vienen motivadas por

perturbaciones de origen externo, hacindose patentes de manera instantnea o bien evolucionando paulatinamente.La relacin causa-efecto podramos resumirla como sigue:

Solicitaciones Trmicas:- Sobreintensidades- Sobrecargas permanentes o repetidas- CortocircuitosSolicitaciones Dielctricas:- Sobretensiones temporales- Sobretensiones atmosfricas- Sobretensiones tipo maniobra

Tambin son altamente nocivos los efectos electrodinmicos originados por cortocircuitos externos, solicitacionesde tipo mecnico, esfuerzos que son relativamente compensados por elementos de presin dispuestos sobre lascabezas de los devanados tal y como se aprecia en la figura l.

Debido a la fuerza resultante f, queda comprimido el bobinadointerior, como indican las flechas (figura 2), tendiendo a aplastarlosobre el ncleo, al igual que a hacer estallar el bobinado exteriorque experimenta una presin anloga a la de un cuerpo de caldera.

Fig. 1. Elementos de presin para devanados Fig. 2. Esfuerzos electrodinmicos en devanados.

E


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Este efecto destructor dependiente del cortocircuito quedar tanto ms limitado cuanto ms rpido sea el sistema deproteccin dispuesto.Los efectos causados por tales perturbaciones en el transformador pueden ser:- Cortocircuitos entre fases.- Cortocircuitos entre espiras.- Defectos de aislamiento en el ncleo magntico.

Un anlisis superficial de estasincidencias nos hace reflexionarsobre la importancia de proteger altransformador con dispositivosselectivos y sensibles, capaces deinterrumpir rpidamente el flujo deenerga al lugar defecto.Existen tambin causas de averapropias al transformador, derivadasprincipalmente de defectos deconstruccin, mantenimiento outilizacin, problemas de evolucinlenta tales como envejecimientonatural o prematuro; falta de presinen conexiones, deficiencias en larefrigeracin etc., etc.

Fig. 3. Curvas de Montsinger.

El resultado ms comn es la alteracin del aislamiento en conductores, que se vuelven ms frgiles y quebradizosal debilitarse su resistencia mecnica y al disminuir su rigidez dielctrica por efecto del calor.

Estudios recientes sobre la accindel calor en los aislantes handemostrado que, en las proximidadesde una temperatura de 100 C, unrgimen de funcionamiento de 8 Cen ms o en menos, puederespectivamente doblar o reducir a lamitad la vida de un transformador(ley de Montsinger) segn se observaen la figura 3.Las etapas de propagacin del caloren transformadores secos ysumergidos estn representadas en elcroquis de la figura 4, se observacmo la temperatura vara nosolamente del interior al exterior, sinotambin de la parte inferior a lasuperior.Como podemos observar es de sumaimportancia la limitacin de latemperatura en el transformador paraprevenirlo contra calentamientosimpropios que pudieran ponerlo enpeligro.

Fig. 4. Etapas de propagacin del calor en transformadores.


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La norma UNE 20- 101 (2) determina estos lmites para transformadores secos y sumergidos en aceite, segn lastablas siguientes: (ver Tabla I y Tabla II).Aunque las temperaturas del ambiente o del fluido refrigerante es variable, las normas CEI consideran como valoreslmites:

Para el aire: 40 C Mximo 30 C Como media diaria

20 C Como media anualCalentamiento mximo del aceite = 60 CCalentamiento medio del cobre = 65 CPara el agua de refrigeracin = 25 C

Para una mayor claridad, en el siguiente ejemplo se ponen de manifiesto las temperaturas mximas tolerables paraun aislamiento de la Clase A (sustancias orgnicas: papel, algodn, seda, esmaltes y anlogos) sumergido en aceite ycon una temperatura del aire circundante de 40 C.Segn la TABLA II se tendra:

Segn normas UNE 20-101 (5) el transformador deber poder soportar sin dao los efectos trmicos y mecnicos delos cortocircuitos exteriores, durante un tiempo mnimo de 2 segundos.Con relacin a la norma VDE 0532, los valores mximos de corriente de cortocircuito IKd referida a la corrientenominal y tiempo de cortocircuito TK en transformadores de dos arrollamientos, vienen dados en la Tabla III:

Calentamiento TemperaturaTemperatura del aire: 40 CAceite: 60 C 100 CArrollamientos (Temperatura media): 65 C 105 CTemperatura mxima para el aislamiento Clase A: 115 CDiferencia entre temperaturas del punto mscaliente y la media del arrollamiento: 10 C

1 2 3 4

Parte Mtodo Clase de temperatura de Calentamientode refrigeracin aislamiento mximo

(*) C

Arrollamiento (calenta- Por aire, natural o ventila- A 60miento medido por el cin forzada. E 75mtodo de variacin de B 80resistencia) (**) F 100

H 125150 (**)

Circuitos magnticos y Todos a) Los mismos valoresotras partes: que para los arrolla-a) En contacto con los mientos.arrollamientos b) La temperatura no al-b) No en contacto con canzar en ningn casolos arrollamientos. un valor que pueda da-

ar al propio circuitomagntico, otras partes,o los materiales ayacen-tes.

(*) Vase la norma UNE 21 305.(**) Para algunos materiales aislantes, se puedan aceptar calentamientos superiores a 150 C, poracuerdo entre fabricante y comprador.Nota:Los materiales aislantes se pueden utilizar separadamente o en combinacin, teniendo en cuenta queen ningn caso cada aislante sea sometido durante el funcionamiento en las condiciones asignadas,a una temperatura superior a aquella para la cual est previsto.

Lmites de calentamiento para transformadores de tipo secoTABLA I


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No se sobrepasarn los valores admisibles de temperatura media ms elevada 1 (Vase UNE 20-101 (5)) delarrollamiento despus del cortocircuito dados en la Tabla IV.

Para sobrecargas distintas a los cortocircuitos, los rels debern proporcionar tiempos de actuacin en funcin de lacarga, de modo que su curva de respuesta se adapte a la curva de calentamiento dada por el fabricante deltransformador.La tabla V da valores orientativos sobre la capacidad de sobrecarga de transformadores con refrigeracin natural enfuncin de su carga previa o de la temperatura del aceite medida al comienzo de la sobrecarga. Se ha supuesto unatemperatura del aire de 25 C siendo la temperatura al final del periodo de sobrecarga 105 C. (Valor lmite).

1 2Parte Calentamiento mximo

CARROLLAMIENTOS:Clase de temperatura del aislamiento A (calentamiento 65, cuando la circulacin del aceite es natural o forza-medido por el mtodo de variacin de resistencia). da no dirigida.

70, cuando la circulacin del aceite es forzada y dirigida.Aceite en la parte superior (calentamiento medido por 60, cuando el transformador est provisto de conser-termmetro). vador o es estanco al aire.

55, cuando el transformador no est provisto de con-servador ni es estanco al aire.

Circuitos, magnticos, partes metlicas y otros mate- La temperatura no alcanzar en ningn caso, un valorriales adyacentes. que pueda daar, al propio circufto magntico, otras

partes o los materiales adyacentes.Nota: Los lmites de calentamiento de los arrollamientos (medido por el mtodo de variacin de resistencia) se eligen de forma que den el mismo calentamiento del punto caliente con diferentes tipos de circulacin del aceite. El calentamiento del punto caliente no se puede medir, normalmente, directamente. En los transformadores con circulacin forzada y dirigida del aceite, la diferencia entre el calentamiento del punto caliente y el calentamiento medio en los arrollamientos es ms pequeo que en los transformadores con circulacin natural del aceite, o que en los de circulacin forzada pero no dirigida del aceite, por esta razn los arrollamientos de los transformadores con circulacin forzada y dirigida del aceite pueden tener lmites de calentamiento (medido por el mtodo de variacin de resistencia) superiores en 5 C a los de los otros transformadores.

TABLA IILmites de calentamiento para transformadores sumergidos en aceite

Potencia Nominal Ikd (1) TCC TKPN (kVA) (%) (seg.)


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Al utilizar esta tabla hay que tener en cuenta los siguientes aspectos:- Para transformadores secos con aislamientos de las clases B, E, F, habr que reducir aproximadamente un 15% laduracin de las sobrecargas.- Para alturas superiores a los mil metros sobre el nivel del mar, el aumento de temperatura expresado en las tablasanteriores deber reducirse para cada 500 m por encima de los 1000:

a) Transformadores sumergidos en aceite, con refrigeracin natural por aire = 2,0%b) Transformadores tipo seco, con refrigeracin natural por aire = 2,5%c) Transformadores sumergidos en aceite, con ventilacin forzada = 3,0%d) Transformadores tipo seco, con ventilacin forzada = 5,0%

Las caractersticas de calentamiento/enfriamiento determinadas por el fabricante del transformador, vienenimpuestas por la normativa UNE 20-101 (2) por medio del mtodo de variacin de resistencia.La temperatura de un arrollamiento [2] al final de un ensayo se calcular a partir de su resistencia [R2] medida aesta temperatura y de su resistencia [Rl] medida a otra temperatura [1] mediante las frmulas:

[ ]

[ ] 225235

235235

11

22

11

22

+=

+=

RRRR

Para el Cobre y Aluminio respectivamente

en la que 1 y 2 estn medidos en grados Celsius.La resistencia [Rl] es normalmente, la resistencia en fro.La resistencia [R2] se mide bien despus de cada corte de la alimentacin, teniendo en cuenta las correccionespertinentes para observar las variaciones de la temperatura media del aceite. O bien, sin interrumpir la alimentacin,por el mtodo de superposicin, que consiste en hacer pasar por el arrollamiento una corriente continua de medidade pequea intensidad que se superpone a la corriente de carga.

La proteccin contra sobrecargas

Su principio est basado en el proceso de calentamiento de los cuerpos homogneos, en efecto, dadas las ecuacionesy caractersticas trmicas universales de la figura 5 podemos deducir:El incremento de temperatura que alcanza un cuerpo al cabo de un tiempo igual a T, es decir, de la ecuacin = 1- e-t si t = T t =1 es precisamente el 63% de su valor mximo y al cabo de t = 3T t = 3 el aumento detemperatura seria del 95% de

En efecto:

para t = l 632,072,21111 === e

y

para t = 3 95,0201111 3 === e

Construccin Carga previa Temperatura delpermanente en aceite bajo tapa

% de PN C10 20 30 40 50

50 55 180 90 60 30 15Aceite 75 68 120 60 30 15 8

90 78 60 30 15 8 4Seco 50 60 30 20 15 12(clase A) 75 55 23 15 11 9

90 45 16 10 7 5

en minutos para una sobrecargade % PN

TABLA V(Segn VDE 0532 Apndice I)

Tiempo de sobrecarga admisible


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Fig. 5. Caractersticas universales.

Tambin podemos definirla (figura 6) por el tiempo que determina la interseccin de la tangente en el origen de lacurva = 1 - e-t con la asntota (punto M de la figura).

En los transformadores la constante detiempo aumenta o disminuye en la mismaproporcin que su masa, interviniendotambin de manera importante su formade refrigeracin, en general podramossituarla en los lmites siguientes:

Transformadores en aceite: 45 a 180minutos.Transformadores secos: 15 a 45 minutos

La constante trmica o de tiempo del reldeber ser aproximadamente la misma omenor que la del transformador con el finde que el calentamiento del rel sea igualo incluso ms rpido que el deltransformador.

Fig. 6. Definicin de la Constante de Tiempo.


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Los fabricantes de estos tipos de relfacilitan las correspondientes curvas decalentamiento y enfriamiento para unaconstante de tiempo determinada (porejemplo 60 minutos).En definitiva, el rel trmico tiene pormisin el asegurar la proteccin contrasobrecargas en transformadores que porconstruccin no disponen de elementos deproteccin propios de imagen trmica(vase apartado siguiente), ser precisosobrepasar un determinado tarado del rel,para que este accione un contacto pormedio del cual se excitar un circuito dealarma y/o de disparo. En tanto no sesobrepasen los umbrales detemperatura.antes referidos, el relpermitir cualquier sobrecarga deltransformador, logrndose as un grado

ptimo de utilizacin en la instalacin.Los rels de mxima corriente no seran adecuados, como podemos observar, para cumplir estas condiciones, puesuna sobrecarga ms o menos duradera que no sobrepasase el lmite trmico de la mquina activara, sin duda, eldisparo de la instalacin.Algunos tipos de rels trmicos, disponen tambin de un rel de mxima corriente que al sobrepasar su intensidadde ajuste, funciona sin temporizacin. Este complemento es utilizado como proteccin instantnea contracortocircuitos.Un rel trmico est compuesto fundamentalmente por un sistema de medida formado por columnas de tirasbimetlicas y de un acumulador de calor constituido por placas metlicas cuyo nmero y espesor determinan suconstante trmica, as como de una banda calefactora recorrida por la corriente de alimentacin que calienta tantolas tiras de bimetal como el acumulador de calor. Tanto la banda calefactora como el acumulador de calor estncubiertos por una proteccin contra las radiaciones.

Dispositivos propios de imagen trmica en transformadores

Utilizados para la proteccin contra sobrecargas en transformadores de potencia, estos dispositivos estn montadosen el propio transformador. Un rel secundario controla indirectamente la temperatura del punto ms caliente de losdevanados. Dicha temperatura se registra en una esfera graduada que se encuentra en un lateral del transformador.

El equipo (figura 7) est compuesto esencialmente por:- Una resistencia bobinada C de calentamiento.- Una resistencia Shunt A calibrada.- Un termmetro T con su equipo auxiliar.- Un transformador de intensidad Ti.- Contactos de control de ventiladores en transformadores con ventilacin forzada, o bien para el control automticode banda y ventiladores en los de circulacin forzada, tambin pueden disponerse contactos de alarma y disparopara lmites temperaturas peligrosas en los bobinados.

La imagen trmica es alimentada por la corriente secundaria del transformador de intensidad Ti montado bajo tapaen los bornes del circuito de los devanados a proteger por regla general suelen ser los pasatapas del circuito desalida del transformador con objeto de que en la bobina de calentamiento C circula una corriente proporcional a lacorriente de carga.Para obtener incrementos adecuados de temperatura en esta bobina C ser preciso derivar una parte de la corriente atravs de la resistencia de precisin en Shunt A ajustable.Este cuerpo calefactor, as formado, reproduce la diferencia de temperatura y la constante de tiempo del punto mscaliente del devanado con relacin a la temperatura del aceite existente bajo tapa considerado como el ms caliente(parte superior de la cuba del transformador).El instrumento de medida T nos indica la temperatura real del cobre en la parte superior del devanado (suma detemperaturas del aceite ms la diferencia de temperatura en el cobre - aceite) y no la diferencia de temperaturasrespecto al aceite.

Fig. 7. Dispositivo de Imagen Trmica.


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Fig. 8. Disposicin interior de un instrumento de imagen trmica

Las ventajas de este dispositivo de imagen trmica son las de proteger los devanados contra temperaturas elevadas ofuera de los mrgenes tolerables antes descritos, pero permite sobrecargas momentneas cuando la temperatura airey aceite son bajas. Estas posibilidades de sobrecarga del transformador permiten mejorar con ventaja la calidad enla explotacin de instalaciones elctricas.Existen dispositivos de imagen trmica en los que las bobinas calefactoras van alojadas en la caja del elemento demedida, donde unos fuelles colocados a su alrededor dilatan y contraen segn la temperatura, operando sobrecontactos de control. La figura 8 representa un dispositivo de imagen trmica de estas caractersticas visto en suparte interior (no se muestra la escala graduada). El bulbo (a) es similar al de un termmetro ordinario de lectura adistancia y va conectado al cabezal por medio del tubo (b). Asimismo se ha instalado un segundo tubo (e) cercanoal primero. Estos dos tubos estn conectados a los fuelles (d) y (e) respectivamente, de modo que ambos fuellestienen el mismo tamao en capacidad y volumen y, sin tener en cuenta el bulbo, ambos sistemas son idnticos. Uncambio en la temperatura ambiente hace que el lquido con que est lleno el sistema se dilate o contraiga, y estemovimiento se transmite a ambos fuelles. Segn se observa en la figura los fuelles estn unidos por medio de unapalanca de compensacin (f) de tal forma que los cambios de temperatura en los tubos capilares o en la caja delinstrumento son compensados automticamente, no influyendo en la indicacin.El extremo inferior de los fuelles de accionamiento (d) est conectado por medio de un pin y cremallera (g) a laaguja indicadora. Cuando el bulbo es sometido a una elevacin de temperatura, el volumen del lquido en el mismoaumenta, haciendo que los fuelles (d) se desplacen hacia abajo (estn impedidos a moverse en sentido ascendentepor la palanca (f) y los fuelles (e).El movimiento descendente es a su vez comunicado por medio de pin y cremallera (g) a la aguja (h) y, a travs dela unin (x) al disco giratorio de accionamiento de los contactos.


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Proteccin Buchholz

Hemos mencionado anteriormente los defectos que pueden ocurrir en el interior del transformador, bien por causaspropias o bien por causas externas.Tambin sabemos que los rels de proteccin se activan cuando determinados parmetros (tensin, corriente,frecuencia, etc.) sobrepasan sus umbrales de tarado, es decir, su actuacin se efecta al sobrepasar los lmitesnormales de funcionamiento de la mquina o incluso cuando la avera se est produciendo. El rel Buchholz puededetectar la avera incluso antes de producirse, con el consiguiente ahorro econmico de la reparacin y de laproduccin que ello puede representar. En la prctica apenas existe avera interna alguna en transformadores antela cual no reaccione el rel Buchholz.Es obvio que, ante la actual proliferacin de los transformadores secos, esta proteccin slo ser privilegio de lostransformadores sumergidos, y ello es debido a su principio de funcionamiento simple y eficaz. Su accin estbasada en el hecho de que cualquier avera producida en el aislamiento del transformador es debida arecalentamientos locales o a los efectos del arco elctrico, lo que da lugar a la gasificacin del aceite y de losaislantes prximos de la avera latente e incipiente. Este desprendimiento de gases depende de la intensidad ynaturaleza del defecto, teniendo diferentes repercusiones sobre el rel.

Fig. 9. Sistema de proteccin de Buchholz.

En averas de pequea importancia, las burbujas de gas que se desprenden lentamente y llegan hasta el relBuchholz situado en el conducto de unin de la cuba con el depsito conservador, acumulndose en su partesuperior en forma de cmara de gas. En estado normal el rel Buchholz est completamente lleno de aceite y laacumulacin de gas origina un descenso de nivel en el rel, por lo que un flotador superior (de alarma), basculacerrando o abriendo los contactos de una vlvula de mercurio, excitando de esta forma, una seal de aviso deavera inminente. (figura 9, a y b).Cuando las averas son ms severas dan lugar a desprendimientos de gases ms violentos, propagndose ondas depresin hacia el depsito conservador con velocidades de 50 a l50 cm/s. Para estos casos el rel Buchholz disponede una pantalla desplazable acoplada a la vlvula de mercurio inferior que reacciona de forma inmediata,efectuando el disparo y aislando el transformador afectado de forma selectiva incluso antes de que los gaseshubiesen llenado la cmara inferior del rel Buchholz. Cuando las ondas de presin son de velocidad inferior a lasmencionadas, estas hacen bascular el flotador inferior (figura 9 c) que tambin provoca el disparo del circuitodonde se encuentra el transformador afectado.Cuando aparecen burbujas de aire (debidas, entre otras causas, a fugas del lquido dielctrico, en puntos deestanqueidad, bombas de circulacin interna de refrigeracin etc.) el rel Buchholz reacciona del mismo modo quecuando existe desprendimiento de gases.Del examen de los gases acumulados en las cmaras del rel podemos deducir interesantes conclusiones acerca dela ndole de la avera, simplificando notablemente su identidad.Por ejemplo:

Gases combustibles:

Blancos.- Proceden de la destruccin del aislamiento de papel.Amarillos.- Proceden del deterioro de piezas de madera.Grises o Negros.- Proceden de la descomposicin del aceite.Gases incombustibles.- Son debidos a la acumulacin de aire por descensos de nivel al producirse fugas porjuntas de estanqueidad, contracciones del lquido por descensos de temperatura, tratamientos de aceite


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defectuosos, traslados del transformador, impregnacin de los aislantes en los primeros das de su puesta enmarcha, y otros casos similares.

Finalmente y como resumen destacamos algunos tipos de averas ms comunes ante las que reacciona el relBuchholz:

- Descargas superficiales entre piezas bajo tensin. - Descargas superficiales entre piezas bajo tensin y el ncleo de hierro. - Derivaciones a Tierra.

- Cortocircuitos entre espiras. - Interrupciones de una fase.

- Calentamientos anmalos en el ncleo magntico- Fugas de aceite (descensos de nivel).- Descargas parciales en el seno del aceite.- Contactos defectuosos en conmutadores de tomas, etc.

La proteccin diferencial de Merz-Price

En ausencia del rel Buchholz, la proteccin diferencial de Merz-Price es el nico procedimiento sensible queinterviene rpidamente en caso de defectos internos del transformador. Sin embargo ambas protecciones secomplementan sin sustituirse una a la otra. Por ello en transformadores de pequea y mediana potencia sueleutilizarse exclusivamente el rel Buchholz, mientras que para transformadores de gran potencia, por su importantepapel en el sistema elctrico y su elevado coste, queda justificada la instalacin de ambas protecciones. En tal casola proteccin diferencial se limita a eliminar, rpida y selectivamente los cortocircuitos cuando los demsdispositivos de proteccin de la central elctrica funcionen con un cierto retardo o de forma no selectiva.La proteccin diferencial est basada en la medida de las intensidades antes y despus del transformador,adaptndolas en magnitud y ngulo de fase y comparndolas en el rel. Cuando se sobrepasa una relacinajustable entre la intensidad de paso y la diferencial, el rel acta (figura 10).

Un rel de proteccin diferencial moderno va provisto de retencincon pendiente porcentual y bloqueo o frenado al 2 y 5 armnico.La retencin por pendiente porcentual, (s) distingue con precisinentre faltas internas y externas al transformador, mientras que elbloqueo de armnicos retiene con una determinada temporizacin lassobreintensidades de origen externo, con objeto de evitar disparosintempestivos de la instalacin a consecuencia de corrientestransitorias magntizantes, producidas, por ejemplo, al conectar eltransformador a la red (sobre todo en vaco). En definitiva, el rel nodebe funcionar ni en el momento de la conexin del transformador nien el caso de cortocircuitos externos (corrientes pasantes). Encambio deber ser rpido y sensible a los defectos que ocurren dentrode su campo de accin delimitado por los transformadores deintensidad primarios y secundarios.

Retencin por pendiente porcentual

Su funcionamiento puede observarse en los esquemas de la figura 11.Para intensidades iguales circulando en el sentido indicado en las figuras 10 y 11 b (funcionamiento normal o condefecto externo) ninguna intensidad atravesar el devanado diferencial del rel. En funcionamiento normal, tantola corriente diferencial Id como las de retencin son muy pequeas. Cuando existe defecto externo, la corriente deretencin IH es elevada y est controlada por los devanados S. Siendo Id muy pequea, el rel no acta. (Id = I1 I2 0).

Para intensidades desiguales Id = I1 + I2 el rel funcionar (figura 11 a). Es el caso de defectos internos en eltransformador o dentro del campo de accin limitado por los transformadores de intensidad primarios ysecundarios. Se produce, tambin, una inversin en el sentido de circulacin de una de ellas.

Fig. 10. Esquema de proteccindiferencial para un transformadorde potencia.


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La imposibilidad de obtener un circuito totalmente equilibrado hace que por el devanado diferencial del relcircule una pequea corriente, correspondiente a lamagnetizacin del ncleo del transformador, as como la debidaa los errores de seleccin de los transformadores de intensidad.Estas corrientes slo representan un pequeo porcentaje de lacorriente nominal, pero en determinadas circunstancias, comoes el caso de los transformadores con conmutador en carga,pueden llegar a ser hasta de un 20% de la corriente nominal.Para absorber estos desequilibrios tienen fundamento lasbobinas S de retencin, por lo que, en consecuencia, serequerirn mayores corrientes diferenciales para hacerfuncionar el rel.La caracterstica porcentual de la figura 12 define eldesequilibrio de intensidades preciso para que la proteccinacte.

Esta caracterstica de disparo corresponde a una determinada relacin entre la corriente diferencia Id y la corrientede retencin IH, presentando dos codos. A esta relacin se le designa como relacin de retencin que es lacorriente diferencial, expresada en tanto por ciento de la corriente de retencin, a la que acta el rel. Es decir:

tg%100 ==H

d

II

En la zona (a) de la figura 12 (IH = 0 a 0,5 In) el valor de la corriente diferencial que provoca el funcionamiento esconstante e igual al ajuste base g entendindose por tal al valor de funcionamiento de la corriente Id en % de In ypor IH = 0.En la zona (b) (IH = 0,5 a 2,5 In) aumenta el valor de la corriente de funcionamiento. Es este aumento el queanteriormente designbamos o relacin de funcionamiento y corresponde a tg , o sea, la pendiente de lacaracterstica de funcionamiento. A partir del segundo codo la caracterstica o pendiente porcentual es mucho msescarpada (zona c).Gracias a esta caracterstica de dos codos se obtienen sensibilidades mximas para pequeas corrientes de defecto(zona a), mientras que para corrientes de defecto ms importantes reduce la sensibilidad (zonas b y c).

El bloqueo o frenado de armnicos

Al conectar un transformador de potencia, especialmente estando ste funcionando en vaco, se produce una fuerteirrupcin transitoria de corriente en el devanado primario (inrush current), que no es reflejada en el secundario.

Fig. 11. Efectos de las bobinas de retencin para defectos internos y externos

Fig. 12. Pendiente porcentualdel rel diferencial.


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Este fenmeno hace circular una corriente por el devanado diferencial del rel, provocando su actuacin si nodispone de medios adecuadospara evitarlo.En transformadores modernos,con ncleo magntico de chapade grano orientado y potenciasuperior a 10 MVA, la mximaamplitud de la corrientetransitoria magnetizante puedealcanzar entre 5 y 10 veces IN, encaso de conexin a la red por sulado de alta tensin (o primario),y de 10 a 20 veces, en caso de

conexin por el lado de baja tensin (o secundario).Su magnitud y duracin (hasta varios segundos), dependen entre otras a la construccin del ncleo magntico, a sutipo de conexin, a la existencia de otros transformadores conectados en paralelo, al valor instantneo de la tensinen el momento de la conexin, etc.Como ejemplo se exponen en la tabla VI algunos valores de la corriente de conexin en transformadores:En la figura 13 estn representadas las formas de onda de las corrientes en caso de defecto del sistema de potenciaque es de tipo senoidal pura, acompaada de una componente continua que depender del instante en que seproduce la falta, segn el punto donde se encuentra la onda de tensin y la magnitud y ngulo de la impedancia delcircuito.

En cambio la intensidad magnetizante de conexin del transformador presenta una forma de onda muydistorsionada con picos en los vrticespara el semiciclo positivo yprcticamente sin intensidad en lossemiciclos negativos.La composicin de esta forma de ondasuele ser como sigue:

Potencia trafoMVA

A.T. B.T. A.T. B.T.0,5 11,0 16 6,0 9,41 8,5 14 4,8 7,05 6,0 10 3,9 5,810 5,0 10 3,8 4,050 4,5 9 2,5 3,0

TABLA VI

Ncleos de prdidas bajas Ncleos de prdidas altasValores de cresta

Corriente de conexin en p.u. de la IN

Armnico C.C. 2 3 4 5 6 7% tpico de laamplitud respecto 55 63 26,8 5,1 4,1 3,7 2,4a la fundamental

TABLA VII

Fig. 13. Formas de onda de las corrientes de falta y magnetizantes deun transformador


Como se observa, es mucho ms acusado el valor del 2 armnico en relacin con el resto.Este es el principio en que se basa el frenado de armnicos en rels diferenciales, distinguiendo, por la forma deonda, entre faltas e intensidad magnetizante.Para ello se disponen elementos de bloqueo constituidos por dos filtros, uno serie y otro paralelo, sintonizados conla componente del 2 armnico de la corriente de conexin.El nicos, sin embargo, permite el paso a la ondafu acin.El armnicos que despus de rectificados dan lugar ala OtacveINEsele

C filtro serie presenta una impedancia elevada a los armndamental que es rectificada para dar lugar a la tensin de oper filtro paralelo bloquea la onda fundamental dando paso a los 13

tensin de frenado.ro efecto importante, controlado por el rel diferencial, es el producido en el transformador por aumentoscidentales de tensin debido a perturbaciones en el servicio, provocando una corriente de magnetizacin 10ces superior a la nominal para aumentos de tensin del 20% mientras que con un 30% puede superar 100 veces.ta corriente magnetizante tiene un alto contenido del quinto armnico, por lo que el rel deber disponermentos de retencin sintonizados para este armnico.

onsideraciones del conexionado

Como hemos venido diciendo, lascorrientes provenientes de lostransformadores de intensidad primarios ysecundarios hacia el rel deben ser igualesen magnitud y en oposicin de fase.Puesto que en un transformador depotencia las intensidades primarias ysecundarias son distintas, ser precisopreviamente igualarlas antes decompararlas el rel diferencial. Con estefin se emplean transformadores decorriente de relacin adecuada, y si ellono fuese suficiente ser preciso instalartransformadores de intensidad auxiliaresque compensen exactamente las posiblesdiferencias. Estos transformadoresigualadores van en ocasiones instaladosen el propio rel.Tambin es conocido el hecho de que elgrupo de conexin del transformador depotencia puede introducir un desfase entrecorrientes primarias y secundarias. Porejemplo, en un transformador acoplado enestrella- tringulo, existe un desfase de30 entre la corriente primaria de lnea I1y la secundaria correspondiente I2. Paracompensar esta diferencia en los circuitosdel rel diferencial se acoplan lossecundarios de los transformadores deintensidad colocados en el lado deltringulo del transformador de potencia,en estrella y en tringulo en el lado de laestrella (figura 14).

Fig. 14. Proteccin diferencial de un transformador de dosarrollamientos.


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De la misma forma conectaremos:

Un montaje inverso podra ocasionar la actuacin de la proteccin, en caso de defectos a tierra sobre la red unidaa los arrollamientos en estrella. En tales condiciones los componentes homopolares de la corriente de cortocircuitosolo se encontraran en los secundarios de los transformadores de intensidad conectados en estrella.Otra consideracin importante a tener presentes en este tipo de proteccin es la de evitar que los transformadoresde intensidad puedan llegar a la saturacin bajo condiciones de carga nominal o cuando la corriente decortocircuito llegue a su mximo valor.En la prctica se suele aplicar en el clculo un coeficiente de sobreintensidad de 10 siendo su clase 5P10, o sea (0,33 ... 10) IN con error de corriente inferior al 5% y error de ngulo inferior a 300 minutos.

Cuando el transformador a proteger lleva incorporado regulador en carga, no ser posible ajustar perfectamente larelacin de los T.I. en todo el campo de regulacin; ser por tanto la caracterstica porcentual reguladaadecuadamente la que insensibilizar estos desequilibrios.

La proteccin de cuba

Este tipo de proteccin, cada vez ms utilizada en transformadores de distribucin con resultados aceptables, estbasada en la medida de la corriente que circula por la conexin de la cuba del transformador hacia tierra en caso dedefectos internos de sus partes activas contra masa. En tales casos la corriente que circula hacia tierra depender dela configuracin de la red y de las impedancias de los circuitos derivados a la cuba y de esta hacia tierra.Es interesante, por tanto, que esta conexin a tierra sea de escaso valor hmico y lo ms corta posible. No esaconsejable la interconexin de esta tierra con la correspondiente a la de neutro, porque ello dara lugar adesconexiones intempestivas, motivadas por defectos ajenos al transformador.Esta proteccin es igualmente sensible a aquellos defectos externos que accidentalmente pudieran poner en tensinla cuba del transformador, tal es el caso de efluvios de corriente en pasatapas por defecto de aislamiento, descargade sobretensin en explosores, faltas provocadas por contactos de animales, circuitos auxiliares derivados a masa,etc.La proteccin de cuba, (figura 15) comprende:

- 1 Transformador de intensidad toroidal (T1).- 1 Interconexin cuba/tierra (Tc).- 1 Rel instantneo de mxima intensidad (R).- Rels intermedios de disparo y sealizacin.

Si ZC , Zt y Zr son las impedancias de la cuba, de su interconexin a tierra y del circuito de alimentacin del relrespectivamente, cuando se produce un defecto a masa en el transformador la corriente Id dar origen a unacorriente en el rel, cuyo valor es:

IdZZZ

ZI

trC

Cr

++= (1)

Una corriente de cortocircuito a tierra Icc en la instalacin, se podra transferir a la tierra de cuba deltransformador, originando una corriente I'r en el rel:

Conexin del trafo. Conexiones dede potencia los T.I.

D - Y Y - DY - D D - YD -D Y - YY - Y D - D

D - Zig Zag(Con cero grados de D - D

desfase entreprimario y secundario)


15

IccZZZ

ZI

trC

Cr ++= (2)

de donde:

IccId

ZZ

II

t

c

r

r= (3)

Deducindose de esta expresin que los defectos externos Iccno debern dar lugar a corrientes de funcionamiento en el rel,se trata, por tanto de elevar considerablemente la impedancia Zc, en la practica se suelen aislar las salidas (ruedas, etc.) deltransformador con relacin al terreno con lo que limitaremosmucho el valor de I'r.As mismo, la expresin (3) nos pone de manifiesto, lanecesidad de no interconectar la tierra de neutro con la tierra decuba, debido a las elevadas Icc circulantes que provocarandesconexiones intempestivas en la instalacin.

BIBLIOGRAFIA: Artculo publicado por Andrs Granero en la revista MEI, Junio de 1.992.

Fig. 15. Proteccin de cuba

Andrs GraneroLa proteccin diferencial de Merz-PriceRetencin por pendiente porcentualConsideraciones del conexionadoLa proteccin de cuba

Protección de Transformadores

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