Protección de transformadores

Los transformadores son los elementos de un sistema menos sujetos a fallas.

El costo y la importancia y el riesgo de incendio, hace que se requiera una protección muy efectiva.

Protección de transformadores

Las condiciones anormales que se pueden presentar en un transformador, son:•Fallas Insipientes.•Fallas internas•Fallas eléctricas

Son las que en su etapa inicial, no son serias, pueden dar lugar a fallas mayores.

Entre estas tenemos:

Fallas de aislamiento en los tornillos de sujeción de las laminaciones de los núcleos.

Puntos calientes por conexiones de alta resistencia

Fallas en el sistema de enfriamiento (en el caso de transformadores con enfriamiento por aceite, por ejemplo). Como puede ser nivel bajo de aceite o bien obstrucción del flujo del aceite.

Fallas incipientes:

Caen dentro de las fallas incipientes, ya que por ejemplo son puntos calientes o eventualmente cortocircuitos entre espiras o entre bobinas.

Fallas internas:

son más graves y notorias en tanto más grande es el transformador

Las fallas de aislamiento por sobretensiones de origen atmosférico o bien por maniobra de interruptores

Las corrientes de cortocircuito pueden producir movimiento en las bobinas o entre bobinas y el núcleo.

Fallas en los contactos de los cambiadores de derivaciones, o bien, cortocircuitos entre derivaciones.

Fallas en el aislamiento por envejecimiento natural o prematuro de los transformadores.

Presencia de humedad en el aceite de los transformadores enfriados por aceite.

Fallas eléctricas:

Aprovecha el hecho de que en operación normal, las corrientes en los varios enrollados de un transformador presentan módulos proporcionales (en la razón de transformación) y desfases definidos.

La protección diferencial se basas en la comparación de corrientes que entran y salen del transformador , para esto emplea transformadores de corriente.

Por lo tanto las corrientes en todos los enrollados detectadas por los transformadores de corriente son comparadas en un relé. Cualquier falla interna implica un desequilibrio en las corrientes de los enrolladlos, originando una diferencia que hace operar al relé, para dar orden de desconectar todos los interruptores que sirven al transformador.

 

Protección diferencial (87T):

Estos positivos son termómetros acondicionados con micro interruptores que se calibran a valores específicos de temperatura, que se usan ya sea para mandar señales de alarma , de disparo para desconexión de carga o bien para arrancar ventiladores en los transformadores que usan enfriamiento por aire forzado. Se emplean para detectar la temperatura en los devanados o en el aceite de los transformadores.

Protección por imagen térmica:

La protección contra sobre carga de un transformador se hace por lo general por medio de la protección por sobre corriente.

La protección contra sobre corriente se hace para fallas de fase y/o tierra, esta protección constituye una protección primaria para unidades pequeñas o para cualquier unidad que no tenga protección diferencial, opera también como protección de respaldo en grandes unidades protegidas con relés diferenciales.

En unidades de alrededor de 10MVA y menores se puede usar una protección primaria a base de fusibles.

Las fuerzas físicas debidas a altas corrientes, pueden producir compresión en el aislamiento, fallas de aislamiento u problemas de fricción.

Pueden ser temporizados o instantáneos Difíciles de coordinar, poco selectivos

Protección contra sobre cargas:

la protección propia del transformador solo ven fallas internas. Si se desea dar respaldo a la protecciones del sistema que sigue igual abajo, se agregan los relés de sobre corriente de fase (51) y residual (51N) en ese terminal (lo que tiene la ventaja de evitar el efecto de la corriente de energización).

 

Son empleados en la protección de transformadores de potencia que tienen tanque conservador

Contra fallas internas e incipientes

Rele Buchholz

Ubicación y partes

El receptáculo “a”normalmente lleno de aceite, contiene dos flotadores móviles (b1 y b2) alrededor de ejes fijos . Si, a consecuencia de un defecto poco importante, se introducen pequeñas burbujas de gas, estas se elevan en el tanque principal del transformador y se dirigen hacia al tanque conservador de aceite. Siendo captadas por el aparato y almacenadas en el receptáculo, donde el nivel de aceite baja progresivamente a medida que las burbujas llenan el espacio superior del receptáculo.Como consecuencia, el flotador superior “b1”se inclina y cuando la cantidad de gas es suficiente cierra suscontactos c1, que alimenta el circuito de alarma Si continua eldesprendimiento de gas, el nivel de aceite en el receptáculo baja hasta que los gases alcanzan la tubería que lo lleva hasta el tanque conservador.

Funcionamiento

Si el defecto se acentúa, el desprendimiento se hace violento y se producen grandes burbujas, de tal manera que a consecuencia del choque el aceite refluye bruscamente a través de la tubería, hacia el tanque conservador. Este flujo de aceite encuentra al flotador b2 y lo acciona, lo que provoca el cierre de los contactos c2, estos accionan a su vez el mecanismo de desconexión f de los interruptores de los lados de alta y baja tensión del transformador, poniendo a éste fuera de servicio.

Funcionamiento del relé Buchholz en caso de aparición de un grave defecto en transformador.

Accesorios

El tanque es la parte del transformador que contiene el conjunto núcleo bobinas en su interior así como el líquido dieléctrico refrigerante, además sirve como disipador del calor

Los accesorios son dispositivos que el transformador necesita para su correcta operación y poder monitorear el comportamiento del mismo.

Tanque y accesorios:

Medio que permite adaptar el transformador a los cambios de tensión de la línea de alimentación.

Este aumenta o suprime espiras para bajar o subir el voltaje de salida del transformador dependiendo de los requerimientos de la carga.

Estos pueden ser de dos tipos:

Cambiador de derivaciones

Cambiador de derivaciones sin carga.

Cambiador de derivaciones bajo carga.

son una parte fundamental del transformador

con ayuda del aceite, se disipa el calor generado por las pérdidas en el transformador.

Radiadores:

Las boquillas o bushings son dispositivos que se utilizan para sacar las terminales del primario y del secundario del interior del transformador hacia el exterior.

Boquillas de alta y baja tensión:

Este accesorio se utiliza para indicar la temperatura del nivel superior del líquido aislante del transformador y tienen microswitchs internos que pueden ser utilizados para el control de ventiladores, y/o iniciar o energizar una alarma.

Indicador de temperatura con contactos de alarma:

Indicador del punto más caliente de los devanados:

nivel del líquido dieléctrico, en el tanque principal del transformador y en los compartimentos asociados.

Consiste de un brazo flotante y magnético por el lado donde se encuentra el líquido y un segundo magneto en la carátula indicadora (en la parte exterior). La aguja indicadora se moverá cada vez que el líquido este en o abajo del nivel a 25 ºC.

Indicador de nivel:

Este accesorio es un depósito de expansión de lámina de acero, normalmente de forma cilíndrica o rectangular, soportado en la estructura del tanque principal por encima del nivel de la tapa.

funciones: Mantener constante el

nivel del aceite., Mantener el tanque

principal a una presión (evitará que penetre humedad en el tanque principal)

Tanque conservador:

Para atender a potencias superiores durante horas de carga pico

Por la acción del flujo de aire forzado, se obtiene una mejoría en el enfriamiento del aceite para transformadores enfriados por aire forzado, colocado en la parte lateral superior de un radiador.

 

Ventiladores:

Se colocan entre la pared del tanque principal en la parte superior e inferior (normalmente soldadas) y el cabezal superior e inferior del radiador, con la finalidad de que sea embarcada sin radiadores, solo baste con cerrar las válvulas de bloqueo y sellar tanto los radiadores como las válvulas. Además, cuando se requiera realizar un mantenimiento en los radiadores en el cual sea necesario retirar el radiador del tanque, solo se bloquean las válvulas, se retira el aceite del radiador y se separa del tanque principal.

Válvulas de bloqueo para radiadores:

Este accesorio se monta en la cubierta del transformador, y está diseñado para liberar presiones peligrosas las cuales se pueden generar dentro del tanque del transformador. Cuando una presión determinada es excedida, una reacción de presión levanta el diafragma y desahoga el tanque del transformador. La presión anormal seguida de un arco, es a menudo suficiente para romper el tanque, si no se instala una válvula de sobrepresión. Se suministran con contactos y sin contactos para mandar normalmente señales de disparo.

Válvula mecánica de sobrepresión:

Se conectan en las salidas del secundario o del primario, previniendo al equipo de transitorios originados por descargas atmosféricas (rayos directos o indirectos) o perturbaciones en la red originadas por ondas viajeras que emiten las maniobras de conexión y desconexión de equipos.

Son elementos que drenan las sobre tensiones por descargas atmosféricas o maniobras en la red. A tierra

Apartarrayos:

El deshidratador de Silica–Gel está diseñado para eliminar la humedad e impurezas del aire introducido al transformador. Este consiste de un contenedor de Silica–Gel, un filtro con un pequeño depósito de aceite y un tubo para conectar al deshidratador al tanque conservador

Deshidratador de Silica–Ge:

Factor K

En los transformadores de propósito general la potencia nominal esta definida para señales senoidales de voltajes balanceados y corrientes que no excedan de 0.5% THD, en una magnitud dada que no se exceda el límite de elevación de temperatura, estableciéndose dichos parámetros en la placa de datos.

Introducción

Las corrientes armónicas producen un calentamiento adicional en los devanados de los transformadores

Incremento en las pérdidas causadas por las corrientes de eddy.

Esta situación explica los incrementos considerables en la temperatura al alimentar cargas no lineales, exponiéndose a fallas prematuras.

soluciones: Utilización de Transformadores estándares

desclasificados. Utilización de “Transformadores de factor

K”.

Cambiar por otro transformador convencional de mayor potencia (“desclasificación del transformador” - derating transformer) donde al mismo se le asocia una potencia equivalente menor que la potencia nominal calculada con un régimen senoidal.

Inconvenientes con sobredimensionamiento: Sobredimensionar transformador supone reducir su Z,

por tanto, los armónicos circulan más fácilmente Un transformador sobredimensionado tiene mayores

valores de corriente de corto circuito, necesitándose posibles modificaciones en sistema de protección asociado que tengan en cuenta el mayor rango de interrupción una corriente magnetizante superior

Desclasificación de Transformadores:

Son transformadores concebidos para trabajar en un ambiente de suministro de corriente no senoidal y son específicos para alimentar cargas no lineales.

Underwriters Laboratories (UL) establece el método denominado factor K para transformadores , que es un índice de la capacidad del transformador para soportar los efectos del calentamiento producidos por las cargas no lineales, siendo diseñados para operar a su capacidad nominal con corrientes que tengan niveles de distorsión de acuerdo a dicho factor, sin que se excedan los límites nominales de elevación de temperatura. Los valores de factor K normalizados en transformadores son 4, 9, 13, 20, 30, 40 y 50, siendo los más usados 4,13 y 20.

  UL (Underwriters Laboratories, Inc), organismo independiente USA dedicado a

ensayos de seguridad y certificación define el Factor K en su estándar UL 1561/1994 como:

Transformadores de factor K:

Son diseñados para operar con bajas pérdidas en las frecuencias armónicas, incorporando:

Sobredimensionado del bobinado primario para soportar circulación de armónicos triples.

Duplicación conductor de neutro del bobinado secundario para conducir armónicos triples.

Diseño del núcleo magnético con una densidad de flujo más baja que la normal.

Conductores paralelos aislados entre sí para reducir pérdidas por “corrientes de eddy”, o bien conductores tipo fleje y técnicas de bobinado con transposición conductores.

Apantallamiento electromagnético entre bobinados.

El segundo método, utilizado en Europa, consiste en estimar cuánto debe desclasificarse un transformador estándar de modo que las pérdidas totales en la carga armónica no superen las pérdidas a la frecuencia fundamental para la cual se ha diseñado el transformador. Esta magnitud es lo que se conoce como “factor K” y se calcula por la fórmula:

El ‘Factor K’ según la norma UNE

e= cociente de las pérdidas por corrientes parásitas divididas por las pérdidas óhmicas, ambas a la temperatura de referenciah= orden del armónicoI= valor eficaz de la corriente sinusoidal conteniendo todos los armónicosIh=valor de la corriente del h-ésimo armónicoI1= valor de la corriente fundamentalQ= constante exponencial que depende del tipo de arrollamiento y de la frecuencia. Los valores t ípicos son 1,7 para transformadores con conductores de sección circular o rectangular en ambos arrollamientos y 1,5 para transformadores con arrollamientos de conductores de lámina en baja tensión.