Cómo proteger los transformadores. La forma correcta de proteger los transformadores puede prolongar su vida útil.

El transformador es un equipo estático que funciona de forma continua, lo que le confiere mayor fiabilidad y menor probabilidad de fallos. Sin embargo, debido a que la gran mayoría de los transformadores se instalan al aire libre y se ven afectados por la carga durante su funcionamiento y por la influencia de cortocircuitos en el sistema eléctrico, es inevitable que se produzcan diversas averías y condiciones anómalas durante su operación.

1. Fallos y anomalías comunes en transformadores

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

Las fallas internas se refieren a fallas que ocurren dentro de la carcasa, como fallas de cortocircuito entre fases de los devanados, fallas de cortocircuito entre espiras de devanados monofásicos, fallas de cortocircuito entre los devanados y el núcleo de hierro, y fallas de desconexión de los devanados, etc.

Las fallas externas se refieren a diversas fallas de cortocircuito de fase entre las líneas de conducción externas de los transformadores y fallas de puesta a tierra monofásicas que ocurren cuando el buje aislante de la línea de conducción sufre una descarga disruptiva a través de la carcasa.

Una falla en un transformador causa graves daños. 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 gran cantidad de gas, lo que resulta en la deformación de la carcasa e incluso una explosión. Por lo tanto, cuando un transformador falla, debe ser retirado.

Las anomalías en los transformadores suelen ser sobrecarga, disminución del nivel de aceite, cortocircuito externo por sobrecorriente, temperatura excesiva del aceite, temperatura excesiva del bobinado, presión excesiva y fallo del sistema de refrigeración. Cuando el transformador presenta alguna anomalía, se debe activar una alarma.

Dos, configuración de protección del transformador

La principal protección contra fallas por cortocircuito es la protección diferencial longitudinal, la protección contra gases densos, etc.

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

Protección contra funcionamiento anormal: principalmente protección contra sobrecarga, protección contra sobreexcitación, protección contra gases ligeros, protección contra fugas de neutro, protección contra sobretemperatura, nivel de aceite y fallos del sistema de refrigeración.

Tres, protección no eléctrica

La protección del transformador, que incluye protección contra fugas de aceite, gas, temperatura y otros parámetros no eléctricos, se denomina protección no eléctrica. Existen principalmente protección contra fugas de gas, presión, temperatura, nivel de aceite y parada del enfriador. La protección no eléctrica actúa según lo requiera la instalación para desconectar el sistema o enviar señales.

1. Protección contra gases

Cuando se produce una falla interna del transformador, debido a la acción de la corriente de cortocircuito y el arco puntual de cortocircuito, el interior del transformador producirá una gran cantidad de gas, al mismo tiempo que aumenta la velocidad del flujo de aceite del transformador; el uso del flujo de gas y aceite para lograr la protección se denomina protección por gas.

(1) Protección contra gas ligero: cuando se produce una falla o anomalía leve dentro del transformador, el sobrecalentamiento localizado del punto de falla provoca una expansión parcial del aceite, y el gas en el aceite forma burbujas y entra en el relé de gas. La acción de protección contra gas ligero envía una señal de gas ligero.

(2) Protección contra gases densos: cuando se produce una falla grave en el tanque del transformador, la corriente de falla es elevada y el arco eléctrico provoca la descomposición del aceite del transformador en grandes cantidades, lo que resulta en un flujo abundante de gas y aceite. El deflector de impacto dirige los gases densos hacia la zona de protección, emite la señal de gas denso y activa el disparo de salida, y el transformador se desconecta.

(3) La protección contra gases pesados ​​es la principal protección contra fallas internas del tanque de combustible, la cual puede reflejar diversas fallas internas del transformador. Cuando se produce un cortocircuito entre varias espiras del transformador, aunque la corriente de falla sea muy grande, la corriente diferencial generada por la protección diferencial puede no ser suficiente, por lo que esta podría no funcionar. Por lo tanto, para las fallas internas del transformador, es necesario recurrir a la protección contra gases pesados ​​para eliminarlas.

La imagen

2. Protección contra la presión

La protección contra sobrepresión es también la principal protección contra fallas internas del tanque del transformador. Con protección contra liberación y variación de presión, se utiliza para reflejar la presión del aceite del transformador.

3. Protección contra la temperatura y el nivel de aceite.

Cuando la temperatura del transformador alcanza el valor de alerta, el sistema de protección térmica envía una señal de alarma y pone en marcha el enfriador de reserva.

Cuando el transformador presenta fugas de aceite o su nivel de aceite disminuye por otros motivos, el nivel de aceite se protege y se envía una señal de alarma.

4. Protección total del refrigerador

Cuando todos los enfriadores del transformador en funcionamiento se detienen, la temperatura del transformador aumenta. Si no se interviene a tiempo, el aislamiento del bobinado del transformador puede dañarse. Por lo tanto, cuando todos los enfriadores se detienen durante el funcionamiento del transformador, el sistema de protección emite una señal de alarma y desconecta el transformador tras un largo retardo.

Cuatro, protección diferencial

La protección diferencial del transformador es la principal protección del volumen eléctrico del transformador, y su alcance abarca la zona delimitada por cada lado de la corriente del transformador. En este rango, se producen cortocircuitos entre devanados, cortocircuitos entre espiras y otras fallas, en cuyo caso la protección diferencial entra en acción.

1. Corriente de irrupción del transformador

La corriente de campo que se produce al desconectar el transformador se denomina corriente de irrupción de campo. La magnitud de esta corriente depende de la estructura del transformador, el ángulo de cierre, la capacitancia, la remanencia antes del cierre y otros factores. Las mediciones muestran que la corriente de irrupción suele ser de 2 a 6 veces la corriente nominal, y en el caso máximo supera las 8 veces la corriente nominal. Dado que la corriente de irrupción solo fluye hacia el transformador por el lado de carga, genera una gran corriente diferencial en el circuito diferencial, lo que provoca un funcionamiento incorrecto de la protección diferencial.

La corriente de irrupción tiene las siguientes características: a. El valor de la corriente de irrupción es muy grande y contiene un componente aperiódico evidente; b. La forma de onda es puntiaguda y discontinua; c. Contiene un componente armónico de orden superior evidente, especialmente el componente armónico de segundo orden; d. La corriente de irrupción de excitación está atenuada.

De acuerdo con las características anteriores de la corriente de irrupción, para evitar que dicha corriente provoque un mal funcionamiento de la protección diferencial del transformador, el proyecto utiliza tres principios: alto contenido de segundo armónico, asimetría de la forma de onda y 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 de la corriente diferencial para determinar si se trata de una corriente de falla o una corriente de irrupción. Cuando el porcentaje del componente del segundo armónico con respecto al componente fundamental supera un cierto valor (generalmente el 20%), se considera que la corriente diferencial es causada por una corriente de irrupción y se activa 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 permitida y peor será el efecto de frenado.

3. Protección diferencial de frenado rápido

Cuando se produce una falla grave en el transformador y la corriente de falla es lo suficientemente grande como para provocar la saturación del transformador de corriente (TC), la corriente secundaria del TC también contiene una gran cantidad de componentes armónicas. Según lo descrito anteriormente, es probable que la protección diferencial se bloquee o se retrase debido al frenado del segundo armónico. Esto dañará gravemente el transformador. Para solucionar este problema, se suele instalar una protección diferencial de desconexión rápida.

El elemento diferencial de desconexión rápida es, en realidad, un elemento diferencial de alta constante para la protección diferencial longitudinal. A diferencia de los elementos diferenciales convencionales, refleja el valor efectivo del flujo diferencial. Independientemente de la forma de onda del flujo diferencial o de la magnitud del componente armónico, si el valor efectivo del flujo diferencial supera el valor de ajuste de la velocidad de desconexión diferencial (generalmente superior al valor de ajuste de la protección diferencial), se desconectará inmediatamente el transformador, sin necesidad de aplicar corriente de irrupción ni cumplir con otros criterios de bloqueo.

Cinco, protección de respaldo del transformador

Se presenta brevemente la protección principal del transformador, seguida de la protección de respaldo. Existen diversas configuraciones de protección de respaldo para transformadores. Aquí, se describen brevemente dos tipos: la protección contra sobrecorriente con bloqueo de doble tensión y la protección contra puesta a tierra.

1. Protección contra sobrecorriente con bloqueo de doble presión

La protección contra sobrecorriente con bloqueo de tensión compuesta es la protección de respaldo para fallas de cortocircuito entre transformadores grandes y medianos. Es adecuada para transformadores elevadores, transformadores de conexión de sistema y transformadores reductores cuya protección contra 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, reducir el valor de ajuste de la protección contra sobrecorriente y mejorar la sensibilidad.

La protección compuesta contra sobrecorriente de tensión se compone de un elemento de tensión compuesta, un elemento de sobrecorriente y un elemento de tiempo. La corriente de acceso a la protección es la corriente del transformador de corriente trifásico secundario en el lado local del transformador, y la tensión de acceso es la tensión del transformador de potencial trifásico secundario en el lado local o en otros lados del transformador. Para la protección por microcomputadora, la tensión de este lado se puede proporcionar a otros lados mediante software, de modo que se garantiza que, independientemente del mantenimiento del transformador de potencial, se pueda seguir utilizando la protección compleja contra sobrecorriente de tensión. La lógica de funcionamiento se muestra a continuación.

2. Protección de puesta a tierra del transformador

La protección de respaldo contra fallas de cortocircuito a tierra en transformadores grandes y medianos suele incluir: protección contra sobrecorriente de secuencia cero, protección contra sobretensión de secuencia cero, protección de separación, etc. A continuación, se presenta una breve introducción a tres modos de puesta a tierra diferentes basados ​​en el punto neutro.

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

Para transformadores con tensión de 110 kV o superior, donde el punto neutro está conectado directamente a tierra, se debe instalar una protección contra corriente de secuencia cero en el lado del sistema de puesta a tierra de alta corriente para reflejar la falla a tierra. Para transformadores conectados directamente a tierra tanto en el lado de alta como en el lado medio, la protección contra corriente de secuencia cero debe ubicarse en la dirección de cada barra colectora lateral.

El principio de protección contra corriente de secuencia cero es similar al de la protección contra corriente de secuencia cero de línea (véase el número 30). La corriente de secuencia cero se puede obtener a partir de la corriente del transformador de corriente secundario del punto neutro o de la corriente del transformador de corriente trifásico secundario del lado local. La tensión de secuencia cero conectada al elemento direccional se puede obtener a partir de la tensión del triángulo de apertura del transformador de potencial del lado local o de la tensión trifásica secundaria del lado local. En el dispositivo de protección por microcomputadora, se suele emplear un método de fabricación propia.

Para transformadores grandes de tres devanados, la protección contra corriente de secuencia cero puede ser de tres etapas. En las secciones I y II existe una dirección, mientras que en la sección III no. Cada sección generalmente tiene un retardo de dos etapas: un retardo más corto para reducir el alcance de la falla (conmutación de bus o interruptor local) y un retardo más largo para desconectar el transformador (conmutación de tres lados). La configuración específica de la protección depende de la situación real.

Como se muestra en la figura, después de la operación de la protección de corriente de secuencia cero en la sección I o II, se debe puentear primero el bus t1 o T3 o el interruptor local con un retardo corto para reducir el alcance de la influencia de la falla. Si la magnitud de la falla persiste, se debe cortar el transformador con el interruptor de tres vías t2 o T4 con un retardo largo. En la sección III, sin dirección, el transformador se desconecta directamente con retardo.

(2) el punto neutro no está conectado a tierra

La corriente de secuencia cero pasa por el punto neutro del transformador para formar el circuito de secuencia cero. Sin embargo, si todos los puntos neutros del transformador están conectados a tierra, la corriente de cortocircuito en el punto de conexión a tierra se distribuirá 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 a un rango determinado, se regula el número de transformadores conectados a tierra en el punto neutro.

En el caso de transformadores sin conexión a tierra, se debe configurar una protección contra sobretensiones de secuencia cero para evitar daños por sobretensión en el transformador causados ​​por un arco eléctrico en el punto de falla cuando se produce una falla a tierra.

Transformador totalmente aislado debido a su alto nivel de aislamiento del punto neutro, cuando el sistema sufre una falla a tierra, la primera protección de corriente de secuencia cero retira el transformador de puesta a tierra del punto neutro, si la falla aún existe, luego la protección de voltaje de secuencia cero retira el transformador sin conexión a tierra del punto neutro.

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

Todos los transformadores de alta tensión son semiaislados, y el aislamiento de la bobina neutra a tierra es más débil que el de otras partes. El aislamiento del neutro es propenso a fallar. Por lo tanto, es necesario configurar una protección de aislamiento.

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

Como se muestra, se instala un espacio de ruptura entre el punto neutro del transformador y tierra. Cuando el interruptor de aislamiento de 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 tierra está desconectado, el transformador se conecta a tierra a través del espacio y se activa la protección contra sobrecorriente.

La protección de la brecha se realiza utilizando como criterio la corriente de brecha 3I0 que fluye a través del punto neutro del transformador y la tensión triangular de apertura 3U0 del PT de la barra.

Si el punto neutro en la ubicación de la falla está elevado, se produce una ruptura del entrehierro, lo que resulta en una gran corriente de entrehierro 3I0. En este momento, se activa la protección del entrehierro, y tras un retardo, se retira el transformador. Además, cuando el sistema presenta una falla a tierra, se activa la protección de secuencia cero del transformador de puesta a tierra del punto neutro, interrumpiendo primero el transformador de puesta a tierra del punto neutro. Si después de que el sistema pierde la conexión a tierra, la falla persiste, la tensión triangular abierta del bus PT 3U0 será elevada, y la protección del entrehierro también se activará en este momento.

Fuente: Púlpito del Poder