Departamento de Ing. Eléctrica

PROTECCIÓNES ELÉCTRICASProtecciones de Sistemas Eléctricos

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Capítulo 7Protección del trasformador de potencia

Las protecciones para transformadores trifásicos mayores de 500 kVA están relacionadas generalmente con cortocircuitos de devanados, circuitos abiertos, o sobrecalentamiento. Los transformadores pueden ser de los siguientes tipos:

Transformadores de potencia. Autotransformadores de potencia. Transformadores de regulación. Reguladores de voltaje escalonados. Transformadores de puesta a tierra. Transformadores de hornos de arco eléctrico. Transformadores rectificadores

7.2 Condiciones de falla más comunes Fallas a tierra: produce corrientes que dependen de la fuente, de la

independencia de la puesta a tierra del neutro, de la reactancia de dispersión y la posición de la falla en los devanados.

Figura 1, Conexión de devanados en estrella con neutro puesto a tierra mediante una impedancia Zg. Tomado de: Protección de sistemas eléctricos.

En la figura TAL se pude ver que en ese tipo de conexión en particular la corriente de falla depende de Zg y es proporcional a la distancia entre la falla y el punto neutro.

Fallas al núcleo: Debida al rompimiento de aislamiento lo que produce el flujo de corriente de Eddy que causa sobrecalentamiento.

Fallas entre espiras: Debidas a los arcos causados por descargas en las líneas.

Fallas fase- fase: Se producen elevadas corrientes similares a las de falla a tierra.

Fallas del tanque: Ocasionan pérdidas de aceite y el aislamiento de los devanados se ve afatado por las elevaciones de temperatura.

7.2 Condiciones anormales debido a factores externosResultan de esfuerzos severos sobre el trasformador, se tienen:

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Sobrecarga: Incrementa pérdidas de I2R y la elevación de temperatura. Fallas del sistema: Producen efectos como el de la sobrecarga. Sobrevoltajes: Debida a descargas de voltaje a frecuencia de 60 Hz

produciendo esfuerzos en el aislamiento. Operación a baja frecuencia del sistema: Da como resultado un

incremento de flujo. Cuando se suichea un trasformador en cualquier punto de la onda de voltaje, los valores pico de la onda de flujo dependen del flujo residual como del tiempo de suicheo. La corriente de magnetización pede tener un pico de 8 a 10 veces el pico normal a plena carga y no tiene equivalente en el lado secundario. A este fenómeno se le denomina Inrush y aparece como falla interna.

Es indispensable que al momento de hacer los relés diferenciales de protección del transformador el disparo no sea producido por la corriente de Inrush.

7.3 Protección contra sobrecalentamientoPor razones de seguridad los transformadores son diseñados con un valor nominal basado en el aumento de la temperatura. Para la medición de temperatura se usan sensores térmicos en la parte superior del tanque dentro de la cual se pone una resistencia eléctrica alimentado por un TC de terminal de bajo voltaje de cada una de las fases. También se puede utilizar el termómetro dial. El relevador de sobretemeperatura es un elemento sensible a los cambios de temperatura y dispone de contactos de control por medio de contactores.

7.4 Relevadores de sobrecorrienteRespaldan al relevador diferencial y a fallas externas. Los relevadores de sobrecorriente son suministrados con un elemento instantáneo y un elemento de tiempo diferido dentro de la misma unidad. La unidad de protección con microprocesadores tiene una unidad de sobrecorrirente trifásica y una unidad de tierra en el mismo lugar. Cuando se calculan las corrientes de falla, el sistema de potencia se asume en estado de operación normal, cabe anotar que una barra que tiene dos o más transformadores conectados a ella y esta operando en paralelo el mejor cálculo se hace de cada uno a la vez.

7.4.1 Calibración de unidades instantáneasSon efectivas cando las impedancias de los elementos del sistema de potencia está siendo protegido son grandes en comparación con la impedancia fuente. Ofrecen las siguientes ventajas:

Reduce el tiempo de operación de los relevadores para fallas severas del sistema.

Evita la pérdida de selectividad en el sistema de protección contiene relevadores con características diferentes, esto es obtenido mediante el ajuste de las unidades instantáneas. El criterio para calibrar las unidades

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instantáneas varía dependiendo de la ubicación y tipo de elemento del sistema que se está protegiendo. En el caso de transformadores de potencia las unidades instantáneas de los relevadores de sobrecorriente instalados en el lado primario del transformador se debe ajustar a un valor entre el 125% y el 150% de la corriente de cortocircuito que existe en la barra de bajo voltaje, referida al lado de alto voltaje.

Los relevadores de sobrecorriente son usados en potencias medias y donde se disponga de interruptores automáticos. También se usan como respaldo con tiempos de retraso más altos que los de la protección principal, en transformadores de potencia y en devanados terciarios sin carga.

7.4.1 Protección de falla a tierra restringidaUsada para transformadores con devanados conectados en Y. En la figura 2 se observa este tipo de conexión en la cuan la suma de las corrientes de fase es balanceada contra la corriente del neutro por lo que el relevador no responderá a las fallas externas del devanado.

Figura 2, Protección de falla a tierra restringida para devanado conectado en Y.Tomado de: Protección de sistemas eléctricos.

7.5 La protección diferencial de transformadores de potenciaLos sistemas de protección diferencial pueden proteger a un transformador debido a la confiabilidad inherente de los relevadores. Los TC son conectados de manera tal que forman un sistema de corriente circulante como se ve en la figura 3. Las fallas se localizan dentro de la zona de protección de un trasformador y puede ser despejada de manera repisa. La mayoría de fallas internas son a tierra (a través del núcleo.

La protección diferencial puede detectar y despejar fallas de aislamiento en los devanados del transformador. La causa principal de estas fallas es la formación de arcos en el interior de los pasa tapas y fallas en el cambiador de derivaciones. Este tipo de protección no solamente responde a las fallas fase a fase y fase a

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tierra sino también en algún grado a las fallas entre espiras. Las principales fallas son las fallas en el núcleo causadas por el deterioro del aislamiento.

Figura 3, Protección diferencial del trasformador.Tomado de: Protección de sistemas eléctricos.