El propósito principal de un transformador de potencia es transformar la energía eléctrica de un nivel de voltaje a otro. Un transformador de potencia es la parte más importante del sistema eléctrico, así como la parte más costosa. La función de todos los demás equipos eléctricos (p. ej., disyuntores, transformadores de instrumentos, etc.) es proteger el transformador de potencia. Teniendo en cuenta la importancia del transformador y su alto costo en comparación con otros equipos, es razonable instalar sistemas de protección de alta calidad contra fallas de la red externa o fallas internas del transformador de potencia.
Sistemas de protección de transformadores de potencia
Las fallas externas que aparecen en algún lugar de la red (sobretensión, cortocircuito, sobrecarga, descarga atmosférica, etc.) pueden causar problemas al transformador (que forma parte de esta red). Por ejemplo, los cortocircuitos en la red pueden sobrecalentar significativamente las barras colectoras y los devanados del transformador.
Pérdidas de cobre I2R se multiplica por el cuadrado de la corriente y se disipa como calor. Además, pueden presentarse fallas en el interior del transformador de potencia, tales como cortocircuito de los devanados, cortocircuito entre espiras, cortocircuito entre fases, fallas en el núcleo, en el tanque del transformador y en las cabezas del bushing del transformador. Con respecto a la ubicación de la falla, los sistemas de protección de transformadores de potencia se pueden dividir en protecciones externas e internas.
La principal preocupación del sistema de protección es desconectar el transformador de la red eléctrica lo más rápido posible, evitando así consecuencias inesperadas y daños mayores al transformador.
El sistema de protección está diseñado para poder indicar si se han producido irregularidades en el sistema eléctrico, que podrían provocar la falla del transformador.
Después de un tiempo predeterminado de bloqueo del relé (retardo de operación), el sistema de protección envía la señal al interruptor automático que apagará el transformador del sistema antes de que la falla lo afecte.
El centro de transformación de potencia con el transformador de protección, el interruptor automático y los transformadores de corriente de medida se muestran en la figura 1. Los diferentes sistemas de protección del transformador según los criterios de funcionamiento se enumeran en la tabla 1.
Figura 1. La estación transformadora
| Criterios operativos | el sistema de defensa | El lugar del fracaso |
| Criterios de diferencias actuales | Protección diferencial | Protección interna/externa |
| Criterios de corriente pesada | Protección contra la sobretensión | Protección externa |
| Criterios de evaluación de gases | relevo de Buchholz | Protección interna |
| Criterios de alta temperatura | Protección de sobrecarga térmica | Protección interna |
| Criterios de corriente de secuencia cero | Protección contra fallas a tierra | Protección externa |
| Criterios de impedancia de línea | Rango de protección | Protección externa |
Diferentes sistemas de protección pueden detectar diferentes condiciones de falla en el transformador. La Tabla 2 muestra las fallas que se pueden detectar con la protección correspondiente.
| Condiciones de falla del transformador | el sistema de defensa |
| Sobrecarga o sobrecalentamiento del transformador | Protección de sobrecarga térmica |
| El cortocircuito externo en la red. | Protección contra sobrecorriente y duración |
| Cortocircuito interno del transformador | Diferencial Buchholz, sobreintensidad y relé |
| El transformador de cortocircuito interno monofásico o falla a tierra | Protección monofásica de sobrecorriente, falla a tierra y falla a tierra del tanque |
Protección diferencial del transformador de potencia
La protección diferencial del transformador (ΔI), así como la protección del transformador más importante y comúnmente utilizada, es una protección confiable y segura. Se utiliza para proteger el transformador de potencia con potencia nominal superior a 8 MVA (generalmente no se utiliza para un transformador con potencia nominal inferior a 4 MVA).
El ΔI cubre casi todos los cortocircuitos dentro del transformador, por ejemplo un cortocircuito: entre fases, entre espiras, entre fase y tierra. Si el neutro del transformador está directamente conectado a tierra, esta protección también cubre la ruptura del aislamiento en todos los devanados. Si el neutro del transformador está aislado, el ΔI solo cubre fallas bifásicas pero no fallas monofásicas.
Transformador de principio de protección diferencial
El principio de protección diferencial (ΔI) se basa en la comparación de las corrientes de salida y entrada del transformador, como se muestra en la Figura 2.
En estado normal de la red, el transformador de potencia opera a la corriente nominal. Los transformadores de corriente (CT) se seleccionan con una relación de vueltas correspondiente para que las corrientes en los lados secundarios del CT sean iguales. En este caso, no hay flujo de corriente a través de ΔI (ΔI = 0) porque las corrientes secundarias de los TC tienen el mismo valor de amplitud y desfase. El ΔI no funcionará.
yo condición defectuosa, el valor de la corriente del transformador será mucho más alto que la corriente nominal que creará ΔI>0. En este caso, la protección actuará y pondrá fuera de servicio el transformador.
Figura 2. Esquema de protección diferencial del transformador
En teoría, este sistema de defensa parece muy simple. Pero en realidad, los criterios para el funcionamiento de la defensa no son tan simples. Los desafíos de ΔI se enumeran a continuación:
- Las corrientes primaria y secundaria del transformador son generalmente diferentes. El transformador de corriente debe elegirse correctamente para que la corriente diferencial sea ΔI=0 en condiciones normales.
- Los diferentes grupos vectoriales de transformadores tienen un cambio de fase de corriente diferente en el lado primario y en el lado secundario.
- Los CT en ambos lados del transformador deben tener las mismas características de saturación alrededor de la curva de codo y saturación.
- La operación del cambiador de tomas (regulación de voltaje del transformador) puede conducir la corriente ΔI a través del circuito de protección debido al cambio en la relación de transformación del transformador.
- Cuando el transformador se energiza por primera vez, solo aplica corriente a un lado del transformador y acumula el equilibrio ΔI.
- Las diferencias de corriente son causadas por la saturación del TC y el fenómeno del componente de CC.
- La falla a tierra externa en el sistema eléctrico del lado del transformador de baja tensión puede causar un componente de corriente de secuencia cero que puede operar el ΔI.
Hoy en día, la protección diferencial analógica y digital se puede encontrar en el sistema eléctrico. El sistema analógico usa las soluciones mecánicas antiguas, mientras que la nueva tecnología digital resuelve problemas usando software.
Diseño de nuevos sistemas eléctricos según sistemas de protección digital. Los sistemas digitales resuelven el uso de transformadores de interconexión, valor de umbral superior ΔI, choques (inductores) y condensadores.
Un proceso de software resuelve todos los requisitos mencionados para la protección diferencial. el es el destino de los transformadores de interconexión el componente de corriente homopolar que surge debido a una falla a tierra externa en la red se filtra. Estos transformadores deben conectarse en el grupo vectorial Yd.
Es muy difícil establecer el umbral de corriente ΔI correspondiente. Debe ser lo suficientemente bajo como para detectar una corriente de falla y poner fuera de servicio el transformador de potencia en poco tiempo. Pero, por otro lado, debe ser lo suficientemente alto para evitar un funcionamiento inadecuado en algunas condiciones normales del transformador, como el primer encendido (corriente más alta), corriente sin carga (componente de CC), etc.
Si hay flujo residual en el núcleo del transformador cuando se energiza por primera vez, el valor de la corriente de irrupción casi puede alcanzar el valor de la corriente de cortocircuito. Por esta razón, es necesario prever el tiempo de operación de la protección cuando el transformador se hace su energía primero.
La corriente del transformador de potencia primario contiene un segundo armónico y un componente de corriente continua claramente visibles. El componente de CC que decae lentamente con su alto valor puede saturar los TC y provocar una medición de corriente incorrecta.
Por lo anterior, el umbral de operación ΔI generalmente se establece en 20-40% del valor de corriente nominal (20% de los transformadores sin cambiador de tomas y 30-40% con cambiador de tomas). Debe ser lo suficientemente bajo para cubrir fallas internas de cortocircuito.
La protección diferencial debe operar lo más rápido posible (25-40 ms en la práctica) para reducir la energía de falla que destruye el transformador. Cuando el ΔI detecta la protección, envía la señal de operación del interruptor automático y se dispara la alarma audible. En la práctica, antes de que el transformador de potencia vuelva a estar en servicio, el transformador se prueba en detalle y se analizan las causas de la falla.
Figura 3 El sistema de protección digital
Una nueva solución digital ΔI filtra los componentes de CC mediante software. El software da la señal al sistema de protección que bloqueará la operación de protección de los componentes de corriente continua mediante un circuito electrónico.
el es el software generalmente usa los algoritmos para analizar las ondas de corriente. Los requisitos principales para estos algoritmos son incluso la detección de armónicos (importante para la detección de corriente de magnetización), componente de corriente continua y detección de quinto armónico. Todos estos son importantes para compartir perturbaciones transitorias y condiciones defectuosas. En función de la amplitud de los armónicos calculados, se definen las señales de bloqueo (Relay Logic).
El fabricante del sistema de protección da un rango de umbrales de bloqueo, pero el cliente (ingeniero eléctrico) debe definir el umbral correspondiente de acuerdo a la experiencia y características del transformador de potencia de protección.
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