Análisis de la protección de transformadores en la protección de relés

1. Fallas y anomalías comunes en los transformadores

Las fallas en los transformadores se pueden dividir en fallas internas y fallas externas.

Las fallas internas se refieren a las fallas que ocurren dentro de la carcasa, incluidas las fallas de cortocircuito entre fases de los devanados, las fallas de cortocircuito entre espiras de los devanados monofásicos, las fallas de cortocircuito entre los devanados y los núcleos de hierro, y las fallas de desconexión de los devanados.

Las fallas externas se refieren a diversas fallas de cortocircuito entre fases en los cables conductores externos del transformador, y fallas a tierra monofásicas que ocurren cuando el buje aislante de los cables conductores atraviesa la carcasa de la caja.

La falla de un transformador es muy peligrosa. Especialmente cuando se produce una falla interna, el arco eléctrico de alta temperatura generado por la corriente de cortocircuito no solo quema el aislamiento y el núcleo de hierro del devanado, sino que también provoca la descomposición del aceite del transformador y la liberación de una gran cantidad de gas, causando deformación o incluso la explosión de la carcasa. Por lo tanto, es imprescindible desconectar el transformador cuando falla.

Las anomalías en el transformador incluyen principalmente sobrecarga, bajo nivel de aceite, sobrecorriente causada por cortocircuito externo, alta temperatura del aceite durante el funcionamiento, alta temperatura del bobinado, alta presión del transformador y falla del sistema de refrigeración. Cuando el transformador se encuentra en un estado de funcionamiento anómalo, se debe activar una alarma.

2. Configuración de la protección del transformador

Protección principal contra fallas por cortocircuito: principalmente protección diferencial longitudinal, protección contra gases densos, etc.

Protección de respaldo para fallas de cortocircuito: principalmente protección de sobrecorriente con bloqueo de voltaje compuesto, protección de sobrecorriente de secuencia cero (direccional), protección de baja impedancia, etc.

Protección contra funcionamiento anormal: incluye principalmente protección contra sobrecarga, protección contra sobreexcitación, protección contra gas ligero, protección contra holgura del punto neutro, protección contra fallos del sistema de refrigeración y del nivel de aceite de temperatura, etc.

3. Protección contra daños no eléctricos

La protección de transformadores mediante parámetros no eléctricos como el nivel de aceite, el gas y la temperatura se denomina protección no eléctrica. Principalmente incluye protección contra gases, sobrepresión, sobretemperatura, nivel de aceite y parada completa del enfriador. La protección no eléctrica se activa mediante un disparo o el envío de una señal, según las necesidades del lugar.

(1) Protección contra gases

Cuando se produce una falla en el transformador, debido a la acción de la corriente de cortocircuito y el arco eléctrico en el punto de cortocircuito, se genera una gran cantidad de gas en su interior y aumenta la velocidad del flujo de aceite. La protección que se logra mediante el flujo de gas y aceite se denomina protección por gas.

Protección contra fugas de gas: Cuando se produce una pequeña falla o anomalía dentro del transformador, el punto de falla se sobrecalienta parcialmente, lo que provoca que parte del aceite se expanda, el gas en el aceite forme burbujas y entre en el relé de gas, y la protección contra fugas de gas se activa para enviar una señal de fuga de gas.

Protección contra gases densos: Cuando se produce una falla grave en el tanque de aceite del transformador, la corriente de falla es alta y el arco eléctrico provoca la descomposición de una gran cantidad de aceite, generando un flujo de gas y aceite abundante. El deflector de impacto activa el relé de protección contra gases densos, emite una señal de gas denso y desconecta la salida. Retire el transformador.

La protección contra gases densos es la principal protección contra fallas internas del tanque de aceite y puede detectar diversas fallas dentro del transformador. Cuando se producen pequeños cortocircuitos entre espiras en el transformador, aunque la corriente de falla sea elevada, la corriente diferencial generada en la protección diferencial puede no ser suficiente, lo que puede provocar que esta no funcione. Por lo tanto, para corregir una falla interna del transformador, es necesario recurrir a la protección contra gases densos para eliminarla.

(2) Protección contra la presión

La protección contra sobrepresión es también la principal protección contra fallas internas en el tanque del transformador. Incluye alivio de presión y protección contra cambios bruscos de presión, que se utilizan para responder a la presión del aceite del transformador.

(3) Protección contra la temperatura y el nivel de aceite

Cuando la temperatura del transformador alcance el valor de advertencia, el sistema de protección térmica emitirá una señal de alarma y activará el enfriador de reserva.

Cuando se produce una fuga de aceite del transformador o el nivel de aceite disminuye por otros motivos, el sistema de protección de nivel de aceite se activará y enviará una señal de alarma.

(4) Protección de parada completa del refrigerador

Cuando el enfriador del transformador se detiene por completo, la temperatura del transformador aumenta. Si no se soluciona a tiempo, puede dañar el aislamiento del bobinado. Por lo tanto, si el enfriador se detiene por completo durante el funcionamiento del transformador, el sistema de protección activará una alarma y desconectará el transformador tras un retardo prolongado.

4. Protección diferencial

La protección diferencial del transformador es la principal protección de la cantidad eléctrica del transformador, y su área de protección es la zona delimitada por los transformadores de corriente a cada lado. Cuando se producen fallas como cortocircuitos entre fases o entre espiras del devanado dentro de este área, la protección diferencial debe activarse.

Respecto al principio de protección diferencial de transformadores, ya lo hemos tratado en detalle. Quienes lo necesiten pueden consultar el contenido relevante en los registros históricos 6, 7 y 8. No entraré en detalles al respecto y simplemente añadiré algunos conceptos sobre la corriente de irrupción de excitación.

(1) Corriente de irrupción de excitación del transformador

La corriente de excitación generada al desconectar el transformador se denomina corriente de irrupción de excitación. La magnitud de esta corriente depende de la estructura del transformador, el ángulo de cierre, la capacitancia, el magnetismo residual antes del cierre y otros factores. Las mediciones muestran que, al desconectar el transformador, la corriente de irrupción de excitación debida a la saturación del núcleo de hierro es muy elevada, generalmente de 2 a 6 veces la corriente nominal, pudiendo llegar a superar las 8 veces. Dado que la corriente de irrupción de excitación solo fluye hacia el transformador por el lado de carga, se genera una gran corriente diferencial en el circuito diferencial, lo que provoca un fallo en la protección diferencial.

La corriente de irrupción de excitación presenta las siguientes características: a. Su valor es muy elevado y contiene componentes no periódicas evidentes; b. Su forma de onda es puntiaguda e intermitente; c. Presenta componentes armónicas de alto orden evidentes, especialmente la segunda armónica; d. La corriente de irrupción de excitación se atenúa.

De acuerdo con las características anteriores de la corriente de irrupción, para evitar el mal funcionamiento de la protección diferencial del transformador causada por dicha corriente, en el proyecto se utilizan tres principios: alto contenido de segundo armónico, forma de onda asimétrica y gran ángulo de discontinuidad de la forma de onda para lograr el bloqueo de la protección diferencial.

(2) Principio de frenado del segundo armónico

La esencia del frenado por segundo armónico radica en utilizar el componente del segundo armónico en la corriente diferencial para determinar si se trata de una corriente de falla o de una corriente de irrupción. Cuando el porcentaje del componente del segundo armónico y del componente de la onda fundamental supera un cierto valor (generalmente el 20%), se determina que la corriente diferencial es causada por una corriente de irrupción y se bloquea la protección diferencial.

Por lo tanto, cuanto mayor sea la relación de frenado del segundo armónico, mayor será la corriente del segundo armónico contenida en la onda fundamental que se permitirá, y peor será el efecto de frenado.

(3) Protección diferencial contra roturas rápidas

Cuando se produce una falla grave en el transformador y el transformador de corriente (TC) se satura debido a una corriente de falla elevada, la corriente secundaria del TC también contiene una gran cantidad de componentes armónicas. Según la descripción anterior, esto puede provocar la activación de la protección diferencial debido al frenado del segundo armónico, lo que resultaría en una acción de bloqueo o retardo. Esto dañaría gravemente el transformador. Para solucionar este problema, se suele configurar la protección diferencial de ruptura rápida.

El elemento diferencial de ruptura rápida es un elemento diferencial de alto valor para la protección diferencial longitudinal. A diferencia de los elementos diferenciales generales, refleja el valor efectivo de la corriente diferencial. Independientemente de la forma de onda de la corriente diferencial y la magnitud del componente armónico, siempre que el valor efectivo de la corriente diferencial supere el valor de ajuste del elemento diferencial de ruptura rápida (generalmente superior al valor de ajuste de la protección diferencial), actuará inmediatamente para desconectar el transformador sin excitación. Bloqueo de criterios como la corriente de irrupción.

A continuación se presenta la protección de respaldo del transformador.

Existen diversos tipos de configuraciones de protección de respaldo para transformadores. Este artículo presenta principalmente dos tipos de protección de respaldo: protección compleja contra sobrecorriente por bloqueo de voltaje y protección de puesta a tierra para transformadores.

1. Protección contra sobrecorriente para bloqueo de presión complejo

La protección de sobrecorriente con bloqueo de tensión compleja es la protección de respaldo para fallas de cortocircuito fase-fase en transformadores de gran y mediano tamaño. Es adecuada para transformadores elevadores, transformadores de contacto de sistema y transformadores reductores cuya protección de sobrecorriente no cumple con los requisitos de sensibilidad. La tensión compuesta, formada por tensión de secuencia negativa y baja tensión, puede reflejar diversas fallas dentro del rango de protección, lo que reduce el valor de ajuste de la protección de sobrecorriente y mejora la sensibilidad.

La protección compuesta contra sobrecorrientes de tensión se compone de un elemento de tensión compuesta, un elemento de sobrecorriente y un elemento de tiempo. La corriente de entrada de la protección es la corriente trifásica secundaria del transformador de corriente (TC) del lado del transformador, y la tensión de entrada es la tensión trifásica secundaria del transformador de potencial (TP) del lado del transformador o de otros lados. Para la protección mediante microcomputadora, la tensión de este lado se puede proporcionar a otros lados mediante software, lo que garantiza que la protección contra sobrecorriente de cualquier lado siga funcionando incluso si el TP de cualquier lado se encuentra en reparación. La lógica de funcionamiento se muestra en la figura siguiente.

2. Protección de puesta a tierra del transformador

La protección de respaldo para fallas de cortocircuito a tierra en transformadores grandes y medianos generalmente incluye: protección contra sobrecorriente de secuencia cero, protección contra sobretensión de secuencia cero, protección de separación, etc. A continuación, se presenta una breve introducción basada en tres métodos diferentes de puesta a tierra del punto neutro.

(1) El punto neutro está conectado directamente a tierra.

Para transformadores con una tensión de 110 kV o superior cuyo neutro esté conectado directamente a tierra, se debe instalar una protección contra corrientes de secuencia cero que responda a fallas a tierra en el lado del sistema de puesta a tierra de alta corriente. Para transformadores conectados directamente a tierra tanto en el lado de alta como en el de media tensión, la protección contra corrientes de secuencia cero debe tener una dirección específica, y esta debe apuntar hacia las barras colectoras de cada lado.

El principio de protección contra corriente de secuencia cero es similar al de la protección contra corriente de secuencia cero en línea (véase el número 30). La corriente de secuencia cero puede obtenerse de la corriente secundaria del transformador de corriente (TC) del punto neutro o generarse a partir de la corriente trifásica secundaria del TC en el lado local. La tensión de secuencia cero conectada al elemento direccional puede obtenerse de la tensión del triángulo abierto del transformador de potencial (TP) en el lado local o generarse a partir de la tensión trifásica secundaria en el lado local. En el dispositivo de protección por microcomputadora, se suele emplear el método de autogeneración.

Para transformadores de tres devanados de gran tamaño, se puede utilizar una protección de corriente de secuencia cero de tres etapas. Las secciones I y II tienen direccionalidad, mientras que la sección III no la tiene. Generalmente, cada sección cuenta con dos niveles de retardo: el rango de falla se reduce con un retardo corto (saltando el acoplador de barra o el interruptor en el lado principal de la barra) y el transformador se desconecta con un retardo largo (saltando el interruptor de tres lados). La configuración de protección específica se determina según la situación real.

Como se muestra en la figura, después de que la sección I o II de la protección de corriente direccional de secuencia cero opera, primero se puentea el acoplador de barra o el interruptor de este lado después de un breve retardo t1 o t3 para reducir el alcance de la falla. Si la falla persiste, después de un retardo más prolongado t2 o t4 se puentea el interruptor de tres lados para desconectar el transformador. La sección III no tiene dirección, y el transformador se desconecta directamente después de un retardo.

(2) El punto neutro no está conectado a tierra.

La corriente de secuencia cero pasa por el punto neutro del transformador para formar un circuito de secuencia cero. Sin embargo, si los puntos neutros de todos los transformadores están conectados a tierra, la corriente de cortocircuito en el punto de conexión a tierra se derivará a cada transformador, lo que reducirá la sensibilidad de la protección contra sobrecorriente de secuencia cero. Por lo tanto, para limitar la corriente de secuencia cero dentro de un rango determinado, existen regulaciones sobre la cantidad de transformadores que operan con el punto neutro conectado a tierra.

En el caso de transformadores que funcionan sin conexión a tierra, se debe configurar una protección contra sobretensiones de secuencia cero para evitar daños por sobretensión en el transformador causados ​​por arcos eléctricos en los puntos de falla durante fallas a tierra.

Debido al alto nivel de aislamiento del punto neutro del transformador totalmente aislado, cuando se produce una falla a tierra en el sistema, la protección de corriente de secuencia cero primero desconectará el transformador con el punto neutro conectado a tierra, y si la falla aún existe, habrá una protección de voltaje de secuencia cero para desconectar el punto neutro sin conectar a tierra el transformador.

(3) El punto neutro está conectado a tierra a través del espacio de descarga.

Los transformadores de ultra alta tensión son todos transformadores semiaislados, y el aislamiento de la bobina del punto neutro a tierra es más débil que el de otras partes. El aislamiento del punto neutro es propenso a fallar. Por lo tanto, es necesario configurar una protección contra descargas.

La función de la protección de separación es proteger la seguridad del aislamiento del punto neutro del transformador sin conexión a tierra.

Instale un espacio de ruptura entre el punto neutro del transformador y tierra, como se muestra en la figura. Cuando el interruptor de aislamiento de puesta a tierra está cerrado, el transformador se conecta directamente a tierra y se activa la protección contra sobrecorriente de secuencia cero. Cuando el interruptor de aislamiento de puesta a tierra está desconectado, el transformador se conecta a tierra a través del espacio y se activa la protección de ruptura.

La protección de entrehierro se realiza utilizando como criterios la corriente de entrehierro 3I0 que fluye a través del punto neutro del transformador y la tensión del triángulo de apertura del PT del bus 3U0.

Si el punto neutro se eleva debido a una falla, el entrehierro se rompe y se genera una gran corriente de entrehierro 3I0. En ese momento, se activa la protección de entrehierro y el transformador se desconecta después de un retardo. Además, cuando ocurre una falla a tierra en el sistema, se activa la protección de secuencia cero del transformador de puesta a tierra del punto neutro, y este se desconecta primero. Después de que el sistema pierde el punto de puesta a tierra, si la falla persiste, la tensión triangular abierta 3U0 del transformador de potencia del bus será muy alta, y la protección de entrehierro también se activará en ese momento.