3.2 Protección de transformadores

Los transformadores por ser máquinas estáticas tienen un número de fallas relativamente bajo en

comparación con otros elementos del sistema, sin embargo, cuando llega a fallar, puede que sea

aparatosa y grave la falla, llegándose, inclusive, a presentar el caso de incendio.

Es frecuente también, que la magnitud de las corrientes de falla interna sea baja en comparación

con la corriente nominal o de plena carga, por lo que la protección requiere de una alta sensibilidad

y rapidez de operación.

Las condiciones anormales que se pueden presentar en un transformador, son:

i) Fallas incipientes,

ii) Fallas internas.

iii) Fallas eléctricas,

Las llamadas fallas incipientes, en su etapa inicial no son serias pero en ocasiones, cuando no se

libran pronto, pueden dar lugar a fallas mayores, dentro de esta categoría de fallas, se pueden

presentar las siguientes:

a) Fallas de aislamiento en los tornillos de sujeción de las laminaciones de los núcleos

y del aislamiento que los recubre,

b) Puntos calientes por conexiones de alta resistencia o defectuosas en las bobinas,

que producen puntos de calentamiento localizado o eventualmente con producción

de arco eléctrico.

c) Arcos eléctricos entre los devanados y el núcleo del tanque, debido a

sobretensiones por descargas atmosféricas.

d) 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,

Las llamadas fallas eléctricas, son mas graves y notorias en tanto más grande es el transformador

( más aún en los de mayor capacidad). Dentro de éstas se encuentran las fallas de aislamiento por

sobretensiones de origen atmosférico, o bien por maniobra de interruptores para los conectados a

redes en alta tensión, las corrientes de corto circuito pueden producir movimiento en las bobinas o

entre las bobinas y el núcleo.

a) Fallas en los contactos de los cambiadores de derivaciones que produce puntos

calientes o bien, cortocircuito entre derivaciones,

b) Fallas en el aislamiento debido al envejecimiento natural o prematuro de los

transformadores,

c) Presencia de humedad en el aceite de los transformadores enfriados por aceite,

d) Se puede decir que no existe un criterio estandar para la protección de

transformadores, ya que depende de varios factores entre otro si uno muy

importante es su capacidad y nivel de tensi6n en que son aplicados.

Protección de transformadores en instalaciones industriales de más de 600 v.

En general este tipo de transformadores requiere por norma, al menos la llamada protección

contra sobrecorriente. En este caso, cuando se aplica la palabra Transformador se quiere decir

un transformador o un banco de dos o tres transformadores monofásicos, operando como una

unidad trifásica,

Protección primaria.

Cuando se usan fusibles, su capacidad se debe designar a no más del 150 % de la corriente

nominal o de plena carga en el primario del transformador. Las normas técnicas para instalaciones,

permiten el uso del siguiente tamaño o valor normativo si el valor calculado con el 150% no

corresponde con el valor estandar del fusible,

Si se usa interruptor, su valor no debe ser mayor del 300% de la corriente nominal primaria,

cuando el valor calculado con el 300% no corresponde con una cantidad normalizada, entonces se

usa el valor normalizado inferior.

Existen algunas excepciones a esta regla, que deben ser consultadas para su aplicación.

transformador

Dispositivo 1 Dispositivo 2

Prmario secundsario

Proteccion primaria y secundaria: Para comprender los artículos de las normas técnicas para

instalaciones eléctricas, relacionadas con la protección de transformadores, es necesario algunas

explicaciones sobre terminología y frases,

i) Dispositivo de sobrecorriente del alimentador primario, es el dispositivo que esta

localizado en la fuente de alimentación del transformador, por ejemplo: los fusibles o los

interruptores conectados a la barra,

ii) Los dispositivos de sobrecorriente individuales en las conexiones primarias, son por lo

general, aquellos dispositivos localizados cerca del mismo transformador,

Ejemplo : Seleccionar los fusibles para el primario de un transformador trifásico que tiene una

potencia nominal de 1500 kva, 13,8kv/4,16kv, 60hz con una impedancia del 5.5%,

Protección de transformadores de potencia,

Anteriormente se ha hecho una descripción de algunos tipos de relés, y sus aplicaciones más

comunes, y en cierta forma de la protecciones de transformadores de potencia de tal manera, que

sólo se tratarán los aspectos específicos, las protecciones típicas que se aplican en

transformadores de potencia, son:

i) La protección diferencial,

ii) La protección para detección de gases (Buchholz),

iii) Protección contra sobrecarga.

Protección diferencial (87): Esta protección es capaz no sólo de eliminar todos los tipos de corto

circuito internos, inclusive entre espiras, también fallas debidas a arcos eléctricos en los aisladores

de los transformadores.

En el esquema diferencial, se comparan las corrientes de entrada con las de salida del elemento

protegido siendo que el relé denominado diferencial, opera cuando a través del mismo, circula una

corriente cuya diferencia entre la entrada y la salida rebasa cierto valor ajustado y denominado

corriente diferencial,

En el caso de los transformadores aparecen otras corrientes diferenciales que no son de falla, y

que se deben principalmente a:

A) La corriente de magnetización inicial.

B) A los errores propios de los transformadores de corriente localizados en ambos extremos del

transformador,

C) A no ajuste perfecto de las relaciones de transformación de los transformadores de corriente,

D) A la posible conexión del transformador de potencia en taps distintos,

Debido a los factores anteriores se deben usar relé diferenciales compensados con diferencias

porcentuales de tal forma que puedan compensar tales diferencias,

.Algunas consideraciones adicionales que se tienen que establecer en la aplicación de la

protección diferencial a los transformadores de potencia, son las siguientes:

A) Debido a que tienen normalmente distinto voltaje en sus deyanados primario y secundario; las

corrientes de entrada ~ salida son distintas, y en consecuencia se requieren transformadores

de corriente con distinta relación de transformación.

B) Debido a que las conexiones de cada uno de los devanados pueden ser distintas por ejemplo,

delta/estrella, entonces las corrientes medidas en cada uno de los devanados, tienen un

desfasamiento de 30°.

La selección apropiada de las relaciones de transformación de los TCs debe corresponder a la

máxima condición de carga del transformador de potencia, esto significa la capacidad en su último

paso de enfriamiento. Por ejemplo, para un transformador con enfriamiento OA/FA se calculan

para la corriente en el paso FA.

La conexión de los TCs a los relés si debe respetar los requisitos básicos cubriendo las siguientes

prioridades:

i) el relé diferencial no debe operar para carga o para falla externa.

ii) el relé diferencial debe operar para falla interna suficientemente severa

Protección para detección de gases.

Como se mencionó antes, la protección contra la detección de gases, se hace en base del llamado

relé - Buchholz que se instala entre el tanque del transformador y el tanque conseryador.

El mecanismo de operación, se basa en burbujas de los gases son producidos por ruptura lenta del

aislamiento o flujo de corriente incipiente, los cases suben a través del aceite hasta el tanque

conservador (cámara de acumulación de gases), este proceso permite detectar fallas incipientes, el

gas acumulado hace que se muevan los flotadores y suene la alarma, mediante un análisis del gas

se puede determinar qué tipo de aislamiento se deterioró.

Protección contra sobrecarga.

La protección contra sobrecarga de un transformador, se hace por lo general, por medio de la

protección por sobrecorriente.

La detección de la protección contra sobrecorriente, se hace para fallas de fase y/o a 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 relé diferenciales -, las unidades de alrededor de 10 MVA y menores se

puede usar una pro tección primaria a base de fusibles.

Es deseable que los dispositivos de protección se ajusten tan sensibles como sea posible, pero los

fusibles y los relé de fase no deben operar en cualquier condición no tolerable, tal como las

corrientes de magnetización los valores máximos de sobrecarga o cualquier comdición de

operación de emergencia.

Por otro lado los relé y/o los fusibles, deben proteger a los transformadores contra daños por fallas

propias. Las corrientes de alto valor que pasan en el transformador, pueden causar daños

térmicos y mecánicos, los valores de temperatura elevados, pueden acelerar el deterioro del

aislamiento, las fuerzas físicas debidas a las altas corrientes, pueden producir compresión en el

aislamiento, falla de aislamiento y problemas de fricción.

Para fines del estudio de protecciones contra sobrecorriente, se puede tomar como referencia la

norma americana ANSI/IEEE C57.12.

El valor máximo de corriente de falla que puede soportar un transformador se calcula como 1/Zpu

veces la corriente nominal siendo Zpu , el valor de su impedancia expresada en por unidad. Por

ejemplo, para un transformador con Z = 4 % la máxima corriente de falla que puede circular a

través del mismo es 1/ 0.04 = 25 veces la corriente nominal. Estos valores, en general, se dan en

la tabla siguiente:

La curva de daño de transformadores, da una información más completa de las corrientes y el

tiempo de aguante. Esta se muestran a continuación:

En el caso de la protección de los transformadores se deben tomar en consideración otros factores

como son:

i) Punto de magnetización del transformador (Inrush).

Este punto representa una aproximación del efecto de la corriente de magnetizaci6n del

transformador. Este valor de corriente se calcula como un múltiplo de la corriente nominal del

transformador y varia de acuerdo con la capacidad del mismo.

Este valor puede alcanzar un rango de 8 a 25 veces la corriente nominal para transformadores tipo

seco y el tiempo de duración de esta corriente es siempre de 0.1 segundos.

En la tabla siguiente, se muestran los múltiplos a considerar para determinar la corriente de

magnetización.

ii) El punto ANSI

Las normas americanas (ANSI) establecen lo que se conoce como el punto ANSI, que determinan

un punto que fija las características que deben satisfacer los devanados de un transformador para

soportar sin resultar dañados por los esfuerzos térmicos y magnéticos producidos por un

corto circuito en sus terminales considerando períodos definidos de tiempo, estos valores o

puntos expresados como múltiplos de la corriente a plena carga se indican en la tabla siguiente:

Punto NEC

Exige la operación de protecciones en tiempo largo para una corriente igual a 6 veces la corriente

nominal, siempre que la impedancia sea inferior al 6 %. Si por el contrario la impedancia fluctúa

entre el 6% y 10%, se debe considerar 4 veces la corriente nominal (máxima sobrecarga que

puede soportar el transformador)

En caso de no especificar otra condición , y existiendo protección en primario y secundario del

transformador , como muestra la figura siguiente :

transformador

Dispositivo 1 Dispositivo 2

Prmario secundsario

i) Para dispositivo 2 : Pick-up = K * I non secundario.

Donde : K : sobrecarga máxima (K=2.5 si el transformador tiene protección térmica).

ii) Para dispositivo 1 : El ajuste de este dispositivo depende del dispositivo 2, así se tiene

que en general, se utilizan interruptores cuya característica tiempo /corriente posea una

unidad de tiempo largo y una unidad de tiempo corto.

iii) Uso de fusibles : Para seleccionar la corriente nominal del fusible secundario, se considera

como límite inferior una corriente 110% la corriente nominal y un valor máximo de 250% la

corriente nominal.

iv) Caso especial (transformador D-Y) : Cuando se tiene un transformador aterrizado, al

producirse una falla a tierra en el secundario, las magnitudes reflejadas en el primario

son inferiores a las que existían si el transformador fuera Y-Y o D-D. Por esta razón, se

debe modificar la zona de protección del transformador.

Por ejemplo, para la conexión D-Y aterrizada, se refleja en el primario sólo el 58% del nivel de

falla monofásica del secundario, esto significa que el punto ANSI se debe disminuir al 58% del

valor usado para fallas trifásica.

Finalmente se muestra un esquema típico de protección de un transformador de poder :