06 - Protección de Transformadores

 

 

CURSO PRESENCIAL – ENERO 2019

Coordinación de Protecciones en Sistemas Eléctricos de Potencia s  s 

PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES

Expositor: Juan Dante Morales Alvarado

 

Introducción 







Las protecciones en transformadores deben minimizar el tiempo de falla, debido a fin de reducir los efectos por estrés térmico y por fuerzas electrodinámicas ocasionadas por CCs. Existen dos tipos de protección en transformadores 

Protecciones eléctricas



Protecciones mecánicas

El nivel de protección en transformadores dependerá de su tamaño, tensión e importancia en la red  A mayor capacidad, capacidad, mayor mayor nivel de protección. protección.

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

2

 

Protección de Transformadores Fallas en un devanado conectado en estrella 



La IFALLA  depende de la impedancia de aterramiento y la localización de falla al neutro La R.T. entre el devanado primario y el número de vueltas en CC del secundario varia con la posición: IFALLA-PRIMARIO  α (# vueltas en CC)2 



Fallas a ¼ de devanado producen mínima corriente primaria

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

3

 

Protección de Transformadores Fallas en un devanado conectado en estrella sólidamente aterrado 

La IFALLA  depende de la tensión pre-falla, localización de falla y la impedancia del devanado en CC

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

4

 

Protección de Transformadores Fallas en un devanado conectado en delta 



La relación entre la IFALLA  y la localización de la falla es no lineal: 

La intensidad de corriente varia en menor medida debido a la tensión fase-tierra es mayor al 50% de la l a tensión de fase



La corriente depende además en el aterramiento usado en la red

La impedancia del devanado es máxima para fallas en la mitad del mismo

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

5

 

Protección de Transformadores Fallas en transformadores 

Fase-fase 



Fallas entre espiras  



Baja probabilidad de ocurrencia

Causa corrientes de falla considerables en el circuito en falla Corrientes en terminales son bajas, no detectadas por relés de protección eléctrica.

Fallas en el núcleo 

CCs entre partes del núcleo producen “eddy currents”, causando sobrecalentamiento.



No pueden ser detectadas por relés de protección eléctrica.



Detectadas por el relé Bucholtz

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

6

 

Protección de Transformadores Fallas en transformadores 



Fallas en el núcleo 

CCs entre partes del núcleo producen “eddy currents”, causando sobrecalentamiento.



No pueden ser detectadas por relés de protección eléctrica.



Detectadas por el relé Bucholtz

Fallas en el tanque 

Pérdida de aceite por fugas en el tanque genera reducción de



aislamiento y/o sobrecalentamiento por perdida de refrigeración Otras fallas: ductos de refrigeración bloqueados, falla en los sistemas de refrigeración forzada, etc.

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

7

 

Protección de Transformadores Fuentes de estrés externas 

Sobrecargas 



Incremento de perdidas en el cobre y aumento de temperatura

Fallas en la red 

Produce alto nivel de calentamiento, pudiendo dañar el equipo si se mantiene por mas de algunos pocos segundos



Produce exceso de estrés mecánico en los devanados

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

8

 

Protección de Transformadores Fuentes de estrés externas 

Sobretensiones de impulso atmosférico o de maniobra 



Sobretensiones a frecuencia industrial  



Producen fallas entre espiras, limitados por pararrayos

Incrementa estrés en aislamiento y sobreflujo Incrementa las perdidas en el hierro e IEXC.

Subfrecuencia 

Incrementa el flujo a través del núcleo

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

9

 

Protección de Transformadores Corrientes de magnetización: INRUSH 

Corrientes de elevada magnitud que ocurren al energizar un transformador



Magnitud similar a posibles corrientes de falla



Las protecciones deben mantenerse estables y no operar

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

10

 

Protección de Transformadores Corriente de magnetización: INRUSH 



Flujo pico normal en un transformador es cercano al valor de saturación → 2 x (flujo normal) causa saturación severa La corriente inrush retorna a su régimen normal sinusoidal de carga debido a las perdidas, puede requerir varios segundos

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

11

 

Protección de Transformadores Corriente de magnetización: INRUSH 

Factores que afectan la magnitud y duración de las corrientes de inrush 

Flujo residual, en lo casos críticos el flujo pico resultante en la energización puede alcanzar valores cercanos al 300%



Momento de energización



Numero de transformadores



Diseño y capacidad de los transformadores



Potencia de cortocircuito

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

12

 

Protección de Transformadores Protección de sobrecorriente en trafos de distribución 



 

Transformadores de distribución son protegidos por fusibles 

Capacidad de los fusibles: considerablemente superior a la corriente máxima de carga, asegurando estabilidad por inrush



Fusibles HRC actúan muy rápido ante altas corrientes de CC, pero muy lento si la Icc es menor a 3 veces su capacidad



Fusibles solo protegen al transformador para fallas severas

En transformadores de mayor capacidad (>100KVA) relés e interruptores son recomendables Sobrecorriente instantáneo para fallas en terminales Fusibles pueden ser usados de respaldo a los relés, con una capacidad menor a la corriente de falla a través del equipo

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

13

 

Protección de Transformadores Protección de sobrecorriente en trafos de distribución 

Capacidades típicas de fusibles para trafos de distribución

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

14

 

Protección de Transformadores Protección de sobrecorriente, criterios Sobrecorriente de fases A.T. Corriente de arranque arranque Curva TMS

Criterio 120 - 130% Inominal Inomi nal IEC - NI Operacion con un margen de coordinacion de 300 ms respecto de la l a mayor corriente corriente de falla en el lado de B.T. B.T.

Tiempo definido

Operacion de 100 100 ms par para a fallas e en n terminales de A.T., no debe ope rar para para fallas en B.T. o inrush

Sobrecorriente de tierra A.T.

Criterio

Corriente de arranque arranque Curva

20 - 40% 40% Inomi nal IEC - NI Operacion con un margen de coordinacion de 300 ms respecto de la l a mayor corriente corriente de

TMS Tiempo definido

falla en el lado de B.T. B.T. Operacion de 100 100 ms par para a fallas e en n terminales de A.T., no debe ope rar para para fallas en B.T. o inrush

Tomar en cuenta la curva de daño del transformador Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

15

 

Protección de Transformadores Protección de sobrecorriente, criterios Sobrecorriente de fases B.T. Corriente de arranque Curva TMS

Criterio 12 120 0 - 130 130% % Inomi I nominal nal IEC - NI Operacion de 500 ms para la mayor cor corriente riente de fal la en el l ado de B.T.

Tiempo definido No recomendable Sobrecorriente de tierra B.T. Corriente de arranque Curva TMS Tiempo definido

Criterio

20 - 40% Inominal IEC - NI Operacion de 500 ms para la mayor cor corriente riente de fal la en el l ado de B.T. No recomendable

Tomar en cuenta la curva de daño del transformador

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

16

 

Protección de Transformadores Protección de falla a tierra 



En caso el devanado primario de transformadores no este aterrado, no hay corrientes de secuencia cero de un devanado a otro, ajustes de tierra pueden ser sensibles (la protección no ve fallas en el secundario) Protección de tierra solo ve fallas en devanado primario

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

17

 

Protección de Transformadores Protección de tierra restringida 







Protección de sobrecorriente y de fallas a tierra no brinda protección efectiva para devanados conectados en estrella REF: esquema diferencial con corriente residual de 3 TCs de línea balanceado con corriente de un TC de neutro Relé de alta impedancia que asegura la estabilidad ante la falla externa mas critica (fase-fase) por problemas de saturación en TCs REF detecta fallas en la zona entre los TCs

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

18

 

Protección de Transformadores Consideraciones para la protección diferencial en trafos 











RT de TCs pueden ocasionar corrientes diferenciales falsas para fallas externas (relés electromecánicos) Influencia de los tipos de aterramiento en los devanados Diferencias en longitud de cableado puede causar diferencias en corrientes secundarias y VA (burden) En caso de trafos con cambiadores de taps, corrientes diferenciales existirán durante la mayor parte de su operación Se debe garantizar la estabilidad ante la ocurrencia de corrientes de inrush (restricción por harmónicos) Posibles condiciones de sobreflujo

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

19

 

Protección de Transformadores Protección diferencial porcentual 





Compara las corrientes en los devanados usando TCs que produzcan corrientes secundarias iguales Polaridad seleccionada de manera que corrientes de fallas externas circulen en el cableado pero no a través del relé En relés numéricos los cálculos se hacen por software

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

20

 

Protección de Transformadores Protección diferencial porcentual 



Desbalances en corrientes secundarias se incrementan para corrientes de falla externas mas criticas La característica porcentual permite ajuste sensible para condiciones de falla interna asegurando estabilidad contra fallas externas

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

21

 

Protección de Transformadores Protección diferencial porcentual 

Permite lidiar con las corrientes diferenciales causadas por los cambiadores de taps y desbalance en los TCs

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

22

 

Protección de Transformadores Protección diferencial porcentual 



La Idif se elige tal que sea mayor que la corriente para la condición en el tap extremo considerando además los errores de TCs y la corriente de excitación del transformador de potencia. En general Idif = 20%Inom, sujeto a verificación Criterios para ajuste de la característica porcentual: 



Primera pendiente: condición para máxima desviación de corriente por posición de taps y máximo error en TCs hasta máximo múltiplo de la Inom del TC, dependiendo del burden. A partir de una I de restricción mayor a 1.3 – 1.5 Inom. Típico 20% Segunda pendiente: debe asegurar la estabilidad para I de falla externas criticas y saturación de TCs. A partir de una I de restricción mayor a 5 – 10 Inom. Típico 50%

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

23

 

Protección de Transformadores Protección diferencial porcentual 

Las corrientes en los distintos devanados dependen de los MVA y tension nominales 

Los TCs son disenados con capacidades mayores a las nominales de los devanados



Limitados por capacidades estándar de los TCs

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

24

 

Protección de Transformadores Protección diferencial porcentual: delta - estrella 



En conexiones delta  –  estrella, el desfasaje de corrientes debe ser corregido a través de la conexión de TCs Las corrientes de secuencia cero en el lado estrella no vistas en el lado delta se deben corregir con la conexión de TCs

Relés electromecánicos Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

25

 

Protección de Transformadores Protección diferencial porcentual: 

Transformadores de interposición: corrigen la RT de ser necesario (relés electromecánicos)

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

26

 

Protección de Transformadores Protección de sobreflujo: 

Causas de sobrelfujo:  

 Alta tensión de operación Baja frecuencia de operación



Se requiere disparos temporizados, de tiempo inverso (curva IEEE o de Taylor) o tiempo definido, cuyo arranque es definido para un determinado valor de la relación V/f, la cual típicamente debe ser menor a 1.1.



Se recomienda tomar las medidas en el lado sin el cambiador de taps

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

27

 

Protección de Transformadores Protecciones mecánicas:  



 Ajustadas por el fabricante fabricante Diseñadas para detectar fallas debido a sobrecalentamiento y fallas de aislamiento (aceite) focalizadas, que generan un arco eléctrico con la consecuente descomposición del aceite y generación de gases. Detectan fallas imposibles para las protecciones eléctricas, evitando daños mayores ante posible evolución de estas fallas

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

28

 

Protección de Transformadores Protecciones mecánicas: relé Buchholz 

Existente en transformadores con tanque conservador



Posee dos juegos de contactos: 



Operación para baja acumulación de gas por fallas leves en el aislamiento (alarma) Operación para gran desplazamiento de aceite (falla interna critica, disparo)

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

29

 

Protección de Transformadores Protecciones mecánicas: relé Buchholz 



Condiciones de alarma 

Puntos calientes en el núcleo debido a cortocircuito en las laminas



Fallas entre espiras de baja corriente de CC



Pérdida de aceite por fugas



Fallas en aislamiento en partes metálicas del núcleo, uniones, etc.

Condiciones de disparo  Todas las fallas de gran magnitud en los devanados 



Pérdida de aceite a niveles excesivos

Puede ser considerada la protección mas importante en transformadores

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

30

 

Protección de Transformadores Protecciones mecánicas: relé de imagen térmica 





La capacidad delos transformadores se basa en el incremento de temperatura por encima de una temperatura ambiente predefinida, sobrecargas no permitidas bajo esta condición Para temperaturas ambiente menores, las sobrecargas son posibles (IEC 60354) Temperaturas de 95° C pueden ser consideradas como máximas para operación normal, incrementos de 8 a 10° pueden traer problemas al aislamiento



La protección contra sobrecargas se basa en la temperatura de los devanados, usando la técnica de imagen térmica

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

31

 

Protección de Transformadores Protecciones mecánicas: relé de imagen térmica 





Determina la temperatura de los devanados en base a la corriente que circula por ellos y en la temperatura previa del aceite del transformador. Por encima de determinada temperatura se emite el disparo, existe también una etapa de alarma La medición es indirecta, no se tiene un monitoreo preciso de la temperatura real de los devanados, menos de los puntos calientes, que son los mas peligrosos

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

32

 

Protección de Transformadores Protecciones mecánicas: relé de presión súbita  



Detecta rápidos incrementos de presión (bar/s) En transformadores con ventilación forzada, su velocidad debe ser disminuida deliberadamente El tiempo de operación del relé varía desde 0,5 hasta 37 ciclos, dependiendo de la magnitud de la falla.

Protecciones mecánicas: válvula de sobrepresión 



 Alivian sobre presión por medio de la apertura completa de la válvula en milisegundos (2 ms). Consta de un mecanismo que resiste una presión determinada y que cuando alcanza niveles peligrosos, permite la salida del aceite y los gases

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

33

 

Protección de Transformadores Esquemas especiales 

 Autotransformadores  Autotransf ormadores en EAT

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

34

 

Protección de Transformadores Esquemas especiales 

 Autotransformadores  Autotransf ormadores en EAT

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

35

 

Protección de Transformadores Esquemas especiales  

 Autotransformadores  Autotransf ormadores en EAT Distribución de corrientes para una falla en la conexión

Protección de Transformadores  – Juan D. Morales Alvarado

36

 

GRACIAS