Corriente de irrupción de magnetización que causa el funcionamiento indebido de la protección diferencial en el transformador principal: ¿Por qué falla el bloqueo por segundo armónico?

Tras una revisión mayor, se sometió un transformador principal de 31,5 MVA a una energización en vacío: «¡Disparo!». La protección diferencial operó, pero en el sitio no había el más mínimo indicio de ninguna falla. No era una falla, pero sin embargo resultó en un corte de energía no planificado:

¿Por qué, a pesar de tratarse de una corriente de irrupción de magnetización, el sistema de protección «no logra reconocerla»?

Conclusión en una oración:

El contenido de segundo armónico de la corriente de irrupción trifásica se encuentra en su totalidad por debajo del umbral de bloqueo del 15 % (con la fase más alta en aproximadamente un 10 %). Como resultado, el criterio único de «restricción por segundo armónico» falla, lo que lleva a la identificación errónea de la corriente de irrupción como una falla interna. La causa raíz radica en el efecto combinado de «un alto magnetismo remanente más las características de resonancia del sistema», que deprimen significativamente la contribución armónica de la corriente de irrupción. Además, el esquema de protección carece de un criterio de respaldo basado en la simetría de la forma de onda o el ángulo de discontinuidad.

I. Descripción del incidente (anonimizado)

• Escenario: Una subestación de 110 kV determinada; tras una revisión mayor, el transformador principal n.º 1 (31,5 MVA, 110/35/10 kV; parámetros indicativos) se energiza en condiciones de vacío.
• Fenómeno: En el momento del cierre, la protección diferencial del transformador principal (diferencial porcentual + restricción por segundo armónico) opera, disparando los interruptores automáticos de los tres lados.
• Impacto: La subestación experimentó un breve corte de energía. Tras cambiar al modo de mantenimiento, el recierre secundario fue exitoso y no se produjeron daños en los equipos. Sin embargo, la operación falsa desencadenó un corte de energía primario no planificado.
• Primera reacción: Sospechar de un «cierre bajo falla interna» o un «problema de circuito».

II. Evidencia en el sitio (características de la forma de onda)

¿Por qué se produce la corriente de irrupción durante el cierre en vacío?

La corriente de irrupción solo existe en el lado de la fuente de alimentación (el lado de cierre); no hay corriente en el otro lado. Una vez que la protección diferencial detecta la corriente de irrupción en un solo lado, se forma inmediatamente una corriente diferencial, lo que provoca que el relé diferencial dispare sin falta. Que la protección pueda bloquearse correctamente depende enteramente de los criterios utilizados para identificar la corriente de irrupción.

III. Cadena de razonamiento (Del fenómeno a la causa raíz)

1. Primero, verificar si hay fallas: análisis de gas, cromatografía de aceite, aspecto y aislamiento, todo es normal → No es una falla real; la corriente de irrupción fue identificada erróneamente.
2. Revisar nuevamente el circuito: la polaridad y el funcionamiento del TC son correctos → No es un error de circuito.
3. Capa de criterio de bloqueo: La forma de onda registrada durante la falla muestra claramente la corriente de irrupción, entonces, ¿por qué no operó el bloqueo? —El criterio de bloqueo es "contenido de segundo armónico > umbral (15%)"; sin embargo, esta vez, las relaciones del segundo armónico I₂/I₁ para las tres fases están por debajo del umbral (con la fase más alta en alrededor del 10%): Físicamente, es una corriente de irrupción, pero según el criterio, no se cumplen las condiciones de bloqueo. (Nota: En la protección basada en microprocesador, la restricción del segundo armónico es específica por fase; cada fase se compara de forma independiente, y la acción de bloqueo se aplica a la fase correspondiente o toma el valor máximo entre las fases.)
4. Para investigar más a fondo por qué el segundo armónico es tan bajo, consideremos dos factores que se superponen: ① Justo antes de que se cerrara el transformador principal, recientemente se había producido la eliminación de una falla trifásica de zona cercana, dejando una alta magnetización residual en el núcleo. El ángulo de cierre, al superponerse a esta magnetización residual, provocó que la corriente de irrupción se distorsionara severamente, alterando las características armónicas y reduciendo la proporción del segundo armónico. ② Las características de resonancia formadas por el banco de condensadores en derivación dentro de la subestación y la impedancia del sistema modifican la distribución de los armónicos de la corriente de irrupción en el punto de muestreo (un efecto de derivación), reduciendo así aún más la proporción del segundo armónico. (Este factor es controvertido dentro de la comunidad de ingeniería y se proporciona aquí como una explicación auxiliar.)
5. Vulnerabilidad de la configuración de protección: Este esquema de protección se basa únicamente en el criterio de "restricción del segundo armónico" y no incorpora el principio de simetría de la forma de onda ni el criterio de ángulo de discontinuidad como medidas de respaldo. Si el criterio único falla, toda la línea perderá la protección.

IV. Causa raíz física (en una oración)

El contenido del segundo armónico de la corriente de irrupción se suprime por debajo del umbral de bloqueo debido a la "alta magnetización remanente más las características de resonancia del sistema", mientras que el esquema de protección se basa únicamente en un criterio de restricción del segundo armónico. Como resultado, la cadena de discriminación entre la corriente de irrupción y las fallas internas se vuelve ineficaz.

Esto revela una deficiencia en la capacidad para distinguir entre la redundancia y la falla de componentes; cualquier característica única de la corriente de irrupción puede no cumplir con las especificaciones bajo ciertas condiciones de operación. El contenido del segundo armónico de las corrientes de irrupción en los transformadores modernos de alta capacidad y bajas pérdidas (que normalmente cuentan con núcleos de acero al silicio de alta permeabilidad o núcleos de hierro amorfo comúnmente utilizados en transformadores de distribución) es generalmente bastante bajo, y esto se ha convertido en un factor de riesgo reconocido por la industria.

V. Rectificación y prevención (Tres líneas)

1. Lógica de protección (máxima prioridad)

• El principio de simetría de la forma de onda y el criterio de ángulo de discontinuidad, combinados con la restricción del segundo armónico, forman una lógica "OR", lo que significa que, siempre que se cumpla cualquiera de estos criterios, se bloqueará la protección diferencial (este enfoque es idéntico al método discutido en el Foro de Protección de Relés de 2014: "Restricción del segundo armónico + Análisis de simetría de la forma de onda para prevenir disparos erróneos causados por la corriente de irrupción").
• Revisar la relación de restricción del segundo armónico (ejemplo: 15% → 12%), y verificar simultáneamente la sensibilidad a las fallas internas (incluidos los componentes de la corriente de irrupción) para evitar el bloqueo falso y el retardo del disparo para fallas reales.
• Mantener la protección de disparo rápido diferencial (sin bloqueo de corriente de irrupción) para garantizar un disparo confiable y rápido al cerrar sobre una falla interna.
• La prueba de transmisión ha añadido un nuevo elemento de prueba: "Corriente de irrupción simulada de bajo segundo armónico", para verificar los límites de operación del criterio compuesto.

2. Modo de operación

• El cierre del transformador principal se prioriza con el dispositivo de cierre selectivo por fase (que suprime la amplitud de la corriente de irrupción y la distorsión armónica).
• Antes de cerrar el interruptor, evaluar el impacto del modo de operación del banco de condensadores en derivación sobre la distribución del muestreo armónico (y desconectar temporalmente un grupo si es necesario).

3. Gestión y archivos

• Cada vez que se enciende el transformador principal y se registran y archivan sus datos de forma de onda, se acumula una base de datos de características de la corriente de irrupción para ese transformador principal específico, sirviendo como base para la verificación del valor de ajuste y el análisis de fallas.
• Después del mantenimiento, realizar el procedimiento estándar de desmagnetización para reducir el impacto del magnetismo residual.
• Incluir el "disparo falso debido a la corriente de irrupción de bajo segundo armónico" como un caso de estudio en la capacitación de contramedidas del equipo de mantenimiento.

VI. Preguntas y respuestas de expertos (FAQ)

P1: ¿En qué nivel de contenido del segundo armónico en la corriente de irrupción se activará el riesgo de disparo falso?

Se vuelve ineficaz cuando no se cumple el umbral para el bloqueo (que indica el 15%). En la práctica de ingeniería, no es raro que la relación trifásica I₂/I₁ caiga por debajo del 10%–12% durante las corrientes de irrupción; factores como los núcleos de baja pérdida y gran capacidad, el cierre con alta remanencia y las características de resonancia del sistema tienden a suprimir el contenido armónico. Por lo tanto, no se debe considerar el "segundo armónico > 15%" como un hecho inevitable.

P2: Además del segundo armónico, ¿qué otros criterios de discriminación de corriente de irrupción existen?

Los cuatro métodos comúnmente utilizados son: ① Restricción del segundo armónico; ② Discriminación por ángulo de discontinuidad (el ángulo de discontinuidad de la corriente de irrupción monofásica oscila típicamente entre 60° y 120°; discriminación fase por fase: debido a los ángulos de cierre variables o al magnetismo residual, el ángulo de discontinuidad generalmente no es obvio en al menos una fase para las corrientes de irrupción trifásicas; las corrientes de falla, sin embargo, no muestran discontinuidad); ③ Principio de simetría de las formas de onda (las corrientes de irrupción exhiben asimetría entre los dos semiciclos antes y después de la irrupción, mientras que las formas de onda de falla son simétricas); ④ Discriminación basada en características de flujo magnético (ΔΦ). Los esquemas de protección modernos deben emplear al menos un criterio dual o una combinación lógica de "segundo armónico + simetría de forma de onda/ángulo de discontinuidad".

P3: Si se encuentra con un disparo falso de la protección diferencial del transformador principal en el sitio, ¿qué debería verificar primero?

Siga la secuencia: "Primero descarte las fallas reales → Luego verifique el cableado del circuito → Finalmente verifique los criterios de operación": ① La cromatografía de gases y aceites, el aislamiento y la inspección visual confirman la ausencia de fallas reales; ② Verifique el cableado de la polaridad del TC y realice pruebas operativas; ③ Analice cualitativamente el registro de formas de onda (¿Es corriente de irrupción? ¿Es una condición de falla?), y recalcule el contenido armónico y el margen respecto a los umbrales de disparo; ④ Confirme que los ajustes de protección coincidan con el estado de los dispositivos de maniobra. El registro de formas de onda sirve como evidencia decisiva: capture la forma de onda primero, luego proceda con cualquier acción física.

No existe una única "bala mágica" para identificar las corrientes de irrupción: cuando las condiciones de operación cambian, un solo criterio puede volverse fácilmente ineficaz. La combinación de múltiples criterios, junto con el perfilado de características, es la solución de ingeniería para la protección diferencial de transformadores.