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Subestación de potencia / Protección / Transformadores

3 malas condiciones que causan una corriente diferencial falsa en el3 malas condiciones que causan una corriente diferencial falsa en eltransformador de potenciatransformador de potencia

Protección diferencial del transformadorProtección diferencial del transformador

Al aplicar la protección diferencial del transformador de potencia, se deben considerar tres condiciones malas que puedenAl aplicar la protección diferencial del transformador de potencia, se deben considerar tres condiciones malas que puedendesequilibrar las corrientes aplicadas al relédesequilibrar las corrientes aplicadas al relé (en comparación con las corrientes esperadas cuando el flujo de potencia (en comparación con las corrientes esperadas cuando el flujo de potenciaen el transformador es igual al flujo de potencia del transformador).en el transformador es igual al flujo de potencia del transformador).

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3 Condiciones que causan corriente diferencial falsa en Power Transformer (crédito de la foto: Geoff Collins)

Hablemos de las siguientes condiciones:Hablemos de las siguientes condiciones:

1. Corriente de irrupción magnetizanteCorriente de irrupción magnetizante2. SobreexcitaciónSobreexcitación , y , y3. Saturación del transformador de corrienteSaturación del transformador de corriente

1. Intensidad de Magnetización1. Intensidad de Magnetización

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Cuando el voltaje del sistema se aplica a un transformador en un momento en que el flujo normal en estado estable debeCuando el voltaje del sistema se aplica a un transformador en un momento en que el flujo normal en estado estable debetener un valor diferente del existente en el transformador, se produce un transitorio de corriente, conocido como corrientetener un valor diferente del existente en el transformador, se produce un transitorio de corriente, conocido como corrientede entrada de magnetización.de entrada de magnetización.

Este fenómeno se ilustra en la Figura 1 para un transformador sin flujo residual.Este fenómeno se ilustra en la Figura 1 para un transformador sin flujo residual.

En la figura, En la figura, el transformador se energiza cuando el voltaje del sistema es ceroel transformador se energiza cuando el voltaje del sistema es cero . . Con el circuito altamenteCon el circuito altamentereactivo involucrado, el reactivo involucrado, el flujo Φflujo Φ debe estar en el máximo negativo o muy cerca, pero el transformador no tiene debe estar en el máximo negativo o muy cerca, pero el transformador no tieneflujo. flujo. Por lo tanto, el flujo debe comenzar en cero y alcanzar un valor de Por lo tanto, el flujo debe comenzar en cero y alcanzar un valor de 2Φ2Φ en el primer período de ciclo. en el primer período de ciclo. ParaParaproporcionar este flujo, la excursión requiere una gran corriente de excitación, como se muestra.proporcionar este flujo, la excursión requiere una gran corriente de excitación, como se muestra.

Los transformadores funcionan normalmente cerca de la saturación para obtener la mejor eficiencia, por lo que los valoresLos transformadores funcionan normalmente cerca de la saturación para obtener la mejor eficiencia, por lo que los valoresde flujo mayores que lo de flujo mayores que lo normal Φ dannormal Φ dan como como resultadoresultado una saturación severa y una gran corriente de excitación. una saturación severa y una gran corriente de excitación.

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Figura 1 - Fenómeno de la corriente de entrada de magnetización (no hay flujo residualinicialmente en el transformador)

Si un transformador se ha energizado previamente, existe una gran posibilidad de que al desenergizarse Si un transformador se ha energizado previamente, existe una gran posibilidad de que al desenergizarse se deje se deje algo dealgo deflujo Φ flujo Φ

RR en el hierro. en el hierro. Esto podría ser positivo o negativo. Esto podría ser positivo o negativo. Si en la Figura 1, Si en la Figura 1, hubiera existido un hubiera existido un flujo residual de flujo residual de + Φ + Φ

R aR apartir de una activación anterior, el máximo de flujo requerido habría sido de partir de una activación anterior, el máximo de flujo requerido habría sido de 2Φ + Φ 2Φ + Φ

RR , lo que da como resultado una , lo que da como resultado una

corriente de irrupción magnetizante máxima más alta. corriente de irrupción magnetizante máxima más alta. Si Si Φ Φ RR

hubiera sido negativo, el flujo máximo requerido sería hubiera sido negativo, el flujo máximo requerido sería 2Φ -2Φ -

Φ Φ RR

con menos corriente de entrada. con menos corriente de entrada.

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Este es un fenómeno aleatorio. Este es un fenómeno aleatorio. Si el transformador se había energizado en o cerca del voltaje positivo máximo (vea elSi el transformador se había energizado en o cerca del voltaje positivo máximo (vea elpunto dpunto d en la Figura 1), el requisito de flujo en ese momento es cero. en la Figura 1), el requisito de flujo en ese momento es cero.

Por lo tanto, la corriente de excitación normal fluiría con una irrupción insignificante oPor lo tanto, la corriente de excitación normal fluiría con una irrupción insignificante osin transitorios. sin transitorios. Las corrientes de excitación normales para los transformadoresLas corrientes de excitación normales para los transformadoresde potencia son del orden del 2% -5% de la corriente a plena carga.de potencia son del orden del 2% -5% de la corriente a plena carga.

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La corriente máxima de magnetización inicial puede ser tan alta como La corriente máxima de magnetización inicial puede ser tan alta como 8-30 veces la corriente de carga completa8-30 veces la corriente de carga completa . . LaLaresistencia en el circuito de alimentación y el transformador y las resistencia en el circuito de alimentación y el transformador y las pérdidas parásitas en el transformadorpérdidas parásitas en el transformador reducen los picos reducen los picosde la corriente de entrada de manera que, eventualmente, se desintegra al valor de corriente de excitación normal. de la corriente de entrada de manera que, eventualmente, se desintegra al valor de corriente de excitación normal. LaLaconstante de tiempo varía de alrededor de 10 ciclos a tan largo como 1 minuto en circuitos de muy alta inducción.constante de tiempo varía de alrededor de 10 ciclos a tan largo como 1 minuto en circuitos de muy alta inducción.

Los factores que intervienen en la irrupción, además del punto de tiempo de activación con relación a losLos factores que intervienen en la irrupción, además del punto de tiempo de activación con relación a losrequisitos de flujo, son:requisitos de flujo, son:

Tamaño del transformador,Tamaño del transformador,Tamaño y naturaleza de la fuente del sistema de potencia,Tamaño y naturaleza de la fuente del sistema de potencia,Tipo de hierro en el transformador, historial anterior yTipo de hierro en el transformador, historial anterior yRelación L / R del transformador y el sistema.Relación L / R del transformador y el sistema.

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En un circuito trifásico, siempre se producirá una irrupción en una o dos y generalmente en las tres fases, con los voltajesEn un circuito trifásico, siempre se producirá una irrupción en una o dos y generalmente en las tres fases, con los voltajesseparados a 120 °, aunque puede ser o no máximo o cero en una de las fases.separados a 120 °, aunque puede ser o no máximo o cero en una de las fases.

La Figura 2 muestra una traza de corriente de irrupción de magnetización típica cuando un banco de transformador recibeLa Figura 2 muestra una traza de corriente de irrupción de magnetización típica cuando un banco de transformador recibeenergía energía de los terminales conectados en estrella o triángulode los terminales conectados en estrella o triángulo . .

Figura 2 - Corriente de entrada de magnetización típica a los transformadores: (a) corrientede fase A a bobinados conectados en estrella; (b) Corriente de fase A a bobinadosconectados en delta.

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Hace algunos años, los estudios indicaron que el componente del segundo armónico de la onda de entrada era el Hace algunos años, los estudios indicaron que el componente del segundo armónico de la onda de entrada era el 15% o15% omás de la corriente fundamentalmás de la corriente fundamental . . En los últimos años, las mejoras en el núcleo del acero y el diseño están dando comoEn los últimos años, las mejoras en el núcleo del acero y el diseño están dando comoresultado transformadores para los cuales todos los armónicos de corriente de entrada son menores, con posibilidades deresultado transformadores para los cuales todos los armónicos de corriente de entrada son menores, con posibilidades deque el segundo armónico sea tan bajo como 7%.que el segundo armónico sea tan bajo como 7%.

La irrupción magnetizante puede ocurrir bajo tres condiciones y se describen como:La irrupción magnetizante puede ocurrir bajo tres condiciones y se describen como:

a. Inicial,Inicial,b. Recuperar, yRecuperar, yc. SimpáticoSimpático

a. a. La irrupción de magnetización inicialLa irrupción de magnetización inicial

1. La entrada de magnetización inicial puede ocurrir cuando se energiza el transformador después de un 1. La entrada de magnetización inicial puede ocurrir cuando se energiza el transformador después de un período previoperíodo previode desenergizaciónde desenergización . . Esto fue descrito anteriormente y tiene el potencial de producir el valor máximo.Esto fue descrito anteriormente y tiene el potencial de producir el valor máximo.

segundo. segundo. Invasión de recuperaciónInvasión de recuperación

Durante una falla o una caída momentánea en el voltaje, puede producirse una avalancha cuando la tensión vuelve a laDurante una falla o una caída momentánea en el voltaje, puede producirse una avalancha cuando la tensión vuelve a lanormalidad. normalidad. Esto se llama recuperación de la recuperación.Esto se llama recuperación de la recuperación.

El peor caso es un fallo externo sólido de tres fases cerca del banco de transformadores. El peor caso es un fallo externo sólido de tres fases cerca del banco de transformadores. Durante la falla,Durante la falla,el voltaje se reduce a casi cero en el banco; el voltaje se reduce a casi cero en el banco; luego, cuando se borra la falla, el voltaje vuelve repentinamente aluego, cuando se borra la falla, el voltaje vuelve repentinamente aun valor normal.un valor normal.

Esto puede producir una entrada de magnetización, pero su máximo no será tan alto como la entrada inicial debido a queEsto puede producir una entrada de magnetización, pero su máximo no será tan alto como la entrada inicial debido a queel transformador está parcialmente energizado.el transformador está parcialmente energizado.

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do. do. Irrupción simpáticaIrrupción simpática

Se puede producir una avalancha de magnetización en un transformador energizado Se puede producir una avalancha de magnetización en un transformador energizado cuando se energiza uncuando se energiza untransformador cercanotransformador cercano . . Un caso común es el paralelo a un segundo banco de transformadores con uno que ya está enUn caso común es el paralelo a un segundo banco de transformadores con uno que ya está enfuncionamiento. funcionamiento. El componente de CC de la corriente de entrada también puede saturar los transformadores energizados,El componente de CC de la corriente de entrada también puede saturar los transformadores energizados,lo que resulta en una corriente de entrada aparente.lo que resulta en una corriente de entrada aparente.

Esta corriente transitoria, cuando se agrega a la corriente de entrada del banco que está energizado, proporciona unaEsta corriente transitoria, cuando se agrega a la corriente de entrada del banco que está energizado, proporciona unacorriente total simétrica compensada que es muy baja en armónicos. corriente total simétrica compensada que es muy baja en armónicos. Esta sería la corriente que fluye en el circuito deEsta sería la corriente que fluye en el circuito desuministro a ambos bancos de transformadores.suministro a ambos bancos de transformadores.

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2. Sobreexcitación2. Sobreexcitación

El nivel de flujo dentro de un transformador es proporcional al voltaje aplicado al transformador e inversamenteEl nivel de flujo dentro de un transformador es proporcional al voltaje aplicado al transformador e inversamenteproporcional a la frecuencia del voltaje aplicado. proporcional a la frecuencia del voltaje aplicado. Cuando se producen condiciones de sobreexcitación que están porCuando se producen condiciones de sobreexcitación que están porencima de los límites del diseño del transformador, el núcleo del transformador se satura y se produce una acumulaciónencima de los límites del diseño del transformador, el núcleo del transformador se satura y se produce una acumulaciónde calor con de calor con eventuales daños al transformadoreventuales daños al transformador . .

Los transformadores de generador están especialmente sujetos a la sobreexcitación ya que dichosLos transformadores de generador están especialmente sujetos a la sobreexcitación ya que dichostransformadores están conectados directamente a los terminales del generador. transformadores están conectados directamente a los terminales del generador. Las condiciones de voltaje yLas condiciones de voltaje yfrecuencia en los terminales del generador están sujetas a variaciones de voltaje y frecuencia, especialmentefrecuencia en los terminales del generador están sujetas a variaciones de voltaje y frecuencia, especialmentedurante el arranque del generador.durante el arranque del generador.

Sin embargo, lasSin embargo, las preocupaciones sobre la sobreexcitación del transformador preocupaciones sobre la sobreexcitación del transformador nonoestán limitadas a los transformadores generadoresestán limitadas a los transformadores generadores . .

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Figura 3 - Corriente de magnetización en la sobreexcitación,donde I1 es la corriente de frecuencia fundamental, I5 es lacorriente del quinto armónico, Im es la corriente demagnetización total y In es la corriente nominal.

Las condiciones de sobrevoltaje y subfrecuencia pueden ocurrir en cualquier lugar del sistema de alimentación,Las condiciones de sobrevoltaje y subfrecuencia pueden ocurrir en cualquier lugar del sistema de alimentación,especialmente cuando las perturbaciones hacen que porciones del sistema operen como islas aisladas. especialmente cuando las perturbaciones hacen que porciones del sistema operen como islas aisladas. Los sistemas deLos sistemas detransmisión a granel también están sujetos a condiciones de alta tensión durante períodos de carga ligera.transmisión a granel también están sujetos a condiciones de alta tensión durante períodos de carga ligera.

Esto se debe a que dichos sistemas a menudo contienen largas líneas de transmisión, que contienen unaEsto se debe a que dichos sistemas a menudo contienen largas líneas de transmisión, que contienen unacapacitancia significativa. capacitancia significativa. Durante períodos de carga ligera, el efecto de la capacidad de la línea predomina enDurante períodos de carga ligera, el efecto de la capacidad de la línea predomina enlas caídas de tensión causadas por la carga que fluye a través de la las caídas de tensión causadas por la carga que fluye a través de la reactancia inductiva de la líneareactancia inductiva de la línea , lo que , lo queresulta en niveles de voltaje incrementados en el sistema.resulta en niveles de voltaje incrementados en el sistema.

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Los niveles de voltaje pueden aumentar hasta el punto donde se exceden las clasificaciones de las instalaciones delLos niveles de voltaje pueden aumentar hasta el punto donde se exceden las clasificaciones de las instalaciones delsistema, incluidos los transformadores.sistema, incluidos los transformadores.

El contenido armónico de la corriente de excitación del transformadorEl contenido armónico de la corriente de excitación del transformador es predominantemente armónico impar. es predominantemente armónico impar. LaLacorriente típica de excitación del transformador contendrá una corriente típica de excitación del transformador contendrá una componente fundamentalcomponente fundamental , que es el 52% de la nominal, , que es el 52% de la nominal,una tercera componente armónica igual al 26% nominal, una quinta componente armónica igual al 11% nominal, unauna tercera componente armónica igual al 26% nominal, una quinta componente armónica igual al 11% nominal, unaséptima componente armónica igual al 4% nominal, y así.séptima componente armónica igual al 4% nominal, y así.

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Se debe considerar la protección contra sobreexcitación para todos los grandes transformadores utilizados comoSe debe considerar la protección contra sobreexcitación para todos los grandes transformadores utilizados comotransformadores de la unidad generadora o aquellos que están conectados a partes del sistema de energía que conducentransformadores de la unidad generadora o aquellos que están conectados a partes del sistema de energía que conducena que los transformadores se sobreexciten.a que los transformadores se sobreexciten.

Dicha protección debe consistir en retransmisión Dicha protección debe consistir en retransmisión que sea capaz de responderque sea capaz de responderdirectamente al nivel de excitación que existe, como voltios = transmisión dedirectamente al nivel de excitación que existe, como voltios = transmisión dehertzhertz . .

Los relés diferenciales del transformador están sujetos a la operación en alta corriente de excitación del transformador.Los relés diferenciales del transformador están sujetos a la operación en alta corriente de excitación del transformador.Sin embargo, la característica operativa del relé en dicha corriente no se correlaciona bien con las características delSin embargo, la característica operativa del relé en dicha corriente no se correlaciona bien con las características dellímite de sobreexcitación del transformador. límite de sobreexcitación del transformador. Como tal, no es práctico usar retransmisión diferencial como un medio paraComo tal, no es práctico usar retransmisión diferencial como un medio paraproteger a los transformadores contra la sobreexcitación.proteger a los transformadores contra la sobreexcitación.

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En el lado negativo, los En el lado negativo, los relés diferenciales del transformadorrelés diferenciales del transformador están sujetos a operar están sujetos a operarcon corriente de sobreexcitación a niveles inferiores a los que con corriente de sobreexcitación a niveles inferiores a los que pueden causar dañospueden causar dañosal transformadoral transformador . .

Además, la operación de retransmisión diferencial causada por la sobreexcitación podría causar confusión en lasAdemás, la operación de retransmisión diferencial causada por la sobreexcitación podría causar confusión en lasinvestigaciones posteriores a la perturbación. investigaciones posteriores a la perturbación. Los transformadores más grandes, para los que la sobreexcitación es unaLos transformadores más grandes, para los que la sobreexcitación es unapreocupación, deben estar equipados con protección de sobreexcitación específica y la retransmisión diferencial asociadapreocupación, deben estar equipados con protección de sobreexcitación específica y la retransmisión diferencial asociadadebe bloquearse para que no funcione con la corriente de excitación por los motivos citados anteriormente.debe bloquearse para que no funcione con la corriente de excitación por los motivos citados anteriormente.

3. Saturación del transformador de corriente

3. Saturación del transformador de corriente

La saturación de los transformadores de corriente asociados con la retransmisión diferencial del transformadorcausa varias preocupaciones con respecto a dicha retransmisión:causa varias preocupaciones con respecto a dicha retransmisión:

1. La saturación de TC en fallas externasLa saturación de TC en fallas externas puede causar un funcionamiento incorrecto de la retransmisión diferencial puede causar un funcionamiento incorrecto de la retransmisión diferencialdebido a la corriente de operación que puede resultar de las formas de onda de corriente secundaria distorsionadasdebido a la corriente de operación que puede resultar de las formas de onda de corriente secundaria distorsionadasque existen durante tales condiciones.que existen durante tales condiciones.

2. Los armónicos contenidos en las corrientes secundariasLos armónicos contenidos en las corrientes secundarias de un transformador de corriente saturada pueden de un transformador de corriente saturada puedenretrasar el funcionamiento de la retransmisión diferencial del transformador en fallas internas del transformador.retrasar el funcionamiento de la retransmisión diferencial del transformador en fallas internas del transformador.

La selección adecuada de los transformadores de corriente puede minimizar laLa selección adecuada de los transformadores de corriente puede minimizar laexposición a los problemas enumerados anteriormente. exposición a los problemas enumerados anteriormente. Las características deLas características dediseño de los relés diferenciales del transformador también abordan estasdiseño de los relés diferenciales del transformador también abordan estaspreocupaciones.preocupaciones.

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Referencia //Referencia // Principios de protección de retransmisión y aplicaciones de H. Lee Willis y Muhammad H. Rashid Principios de protección de retransmisión y aplicaciones de H. Lee Willis y Muhammad H. Rashid