Causas y Soluciones para la Alta Tasa de Fallos en Transformadores de Distribución

1. Causas de Fallo en Transformadores de Distribución Agrícola

(1) Daño en el Aislamiento

El suministro eléctrico rural generalmente utiliza sistemas de suministro mixto de 380/220V. Debido a la alta proporción de cargas monofásicas, los transformadores de distribución a menudo operan bajo un desequilibrio significativo de carga trifásica. En muchos casos, este desequilibrio excede el rango permitido especificado en las normas, causando el envejecimiento prematuro, deterioro y fallo del aislamiento de los devanados del transformador, lo que finalmente conduce a su quema.

Cuando los transformadores de distribución experimentan condiciones de sobrecarga prolongadas, fallas en la línea del lado de baja tensión o aumentos repentinos y significativos de la carga, pueden ocurrir daños debido a la falta de protección adecuada. La ausencia de dispositivos de protección en el lado de baja tensión, combinada con la falta de funcionamiento oportuno (o no funcionamiento en absoluto) de los fusibles de caída en el lado de alta tensión, permite que los transformadores lleven corrientes que superan con creces sus valores nominales (a veces varias veces la corriente nominal). Esto causa un aumento dramático de la temperatura, acelerando el envejecimiento del aislamiento y conduciendo a la quema de los devanados.

Después de un período prolongado de operación, los componentes de sellado, como perlas de goma y juntas tóricas, se deterioran, se agrietan y fallan. Si no se detectan y reemplazan de manera oportuna, esto conduce a fugas de aceite y a una disminución del nivel de aceite. El aire húmedo entra en grandes cantidades en el aceite aislante, reduciendo drásticamente su resistencia dieléctrica. Una deficiencia severa de aceite puede exponer al interruptor de derivación al aire, causando absorción de humedad, descargas, cortocircuitos y quema del transformador.

Los defectos de fabricación también contribuyen a los fallos. Procesos de producción inadecuados, impregnación incompleta de capas de devanado con barniz aislante (o barniz aislante de mala calidad), secado insuficiente y soldaduras de uniones de devanado poco confiables pueden crear vulnerabilidades en el aislamiento. Además, agregar aceite aislante de mala calidad durante el mantenimiento o permitir que la humedad e impurezas entren durante las reparaciones degrada la calidad del aceite y la fuerza del aislamiento, causando finalmente el fallo del aislamiento y la falla del transformador.

(2) Sobretensión

La protección contra rayos a menudo falla debido a valores de resistencia de puesta a tierra que no cumplen con los requisitos. Incluso cuando inicialmente cumplen, los sistemas de puesta a tierra pueden deteriorarse con el tiempo debido a la corrosión, oxidación, ruptura o malas soldaduras del acero, causando un aumento dramático de la resistencia de puesta a tierra y dejando a los transformadores vulnerables a daños por rayos.

La configuración inadecuada de la protección contra rayos es común. Muchos transformadores de distribución agrícola tienen pararrayos instalados solo en el lado de alta tensión. Dado que el suministro eléctrico rural utiliza principalmente transformadores conectados Yyn0, los rayos pueden generar tanto sobretensiones de transformación directa como inversa. Sin protección contra sobretensiones en el lado de baja tensión, los transformadores se vuelven significativamente más susceptibles a daños por estas sobretensiones.

Los sistemas de energía de 10kV rurales a menudo experimentan resonancia ferromagnética. Durante los eventos de sobretensión por resonancia, la corriente primaria de los transformadores de distribución puede aumentar dramáticamente, quemando los devanados o causando flashover en los terminales e incluso explosiones.

(3) Condiciones de Operación Deficientes

Durante los períodos de altas temperaturas en verano o cuando los transformadores operan continuamente bajo condiciones de sobrecarga, las temperaturas del aceite aumentan excesivamente. Esto afecta severamente la disipación de calor y acelera el envejecimiento, deterioro y fallo del aislamiento, acortando significativamente la vida útil del transformador.

(4) Operación Inadecuada o Mala Calidad del Interruptor de Derivación

El consumo de electricidad rural se caracteriza por cargas dispersas, patrones estacionales fuertes, grandes diferencias entre picos y valles, líneas de baja tensión largas y caídas de tensión significativas, lo que resulta en fluctuaciones de tensión sustanciales. Esto lleva a que los electricistas rurales ajusten frecuentemente los interruptores de derivación de los transformadores. La mayoría de estos ajustes no siguen los procedimientos adecuados, y los valores de resistencia DC no se miden ni comparan después de la operación antes de volver al servicio. Como consecuencia, muchos transformadores fallan debido a la posición incorrecta del interruptor de derivación, mal contacto, aumento de la resistencia de contacto y quema de los interruptores de derivación.

Interruptores de derivación de mala calidad con contacto estático y dinámico inadecuado, o indicadores de posición no coincidentes (donde las marcas externas no corresponden a las posiciones internas reales), pueden causar descargas y accidentes de cortocircuito después de la puesta en marcha, resultando en daños en los interruptores de derivación o en todo el devanado.

(5) Problemas de Puesta a Tierra del Núcleo del Transformador

Los problemas de calidad en los transformadores de distribución pueden causar que el barniz aislante entre las láminas de acero silicio envejezca prematuramente durante la operación a largo plazo, resultando en la puesta a tierra de múltiples puntos del núcleo y la falla del transformador.

(6) Operación Continua en Sobrecarga

Con el desarrollo económico rural, la demanda de electricidad ha aumentado dramáticamente. Sin embargo, la adición insuficiente de nuevos transformadores o la sustitución por unidades de mayor capacidad ha forzado a los transformadores existentes a operar continuamente bajo condiciones de sobrecarga. Además, la alta proporción de cargas monofásicas en las zonas rurales hace que sea difícil lograr un equilibrio de carga trifásica, causando que ciertas fases experimenten sobrecargas a largo plazo severas mientras que las corrientes de la línea neutra superan significativamente los valores permitidos. Estas condiciones conducen finalmente a la quema del transformador.

2. Medidas Correctivas

Según las normas relevantes, cada transformador de distribución debe tener tres protecciones fundamentales: protección contra rayos, protección contra cortocircuitos y protección contra sobrecargas.

Para la protección contra rayos, deben instalarse pararrayos en ambos lados, de alta y baja tensión, del transformador, siendo los pararrayos de óxido de zinc la opción preferida.

Las protecciones contra cortocircuitos y sobrecargas deben considerarse por separado. Los fusibles de caída del lado de alta tensión deben proteger principalmente contra fallos de cortocircuito internos en el transformador, mientras que las condiciones de sobrecarga y los cortocircuitos en la línea de baja tensión deben ser manejados por interruptores automáticos o fusibles instalados en el lado de baja tensión.

Durante la operación, las corrientes de carga de fase deben monitorearse regularmente con pinzas amperimétricas para verificar que el desequilibrio de carga trifásica se mantenga dentro de los límites permitidos. Cuando se detecte un desequilibrio excesivo, es necesario redistribuir inmediatamente la carga para llevar el desequilibrio dentro de los límites estándar.

Es esencial la inspección y prueba regular de los transformadores de distribución según los horarios prescritos. Los inspectores deben verificar el color, nivel y temperatura del aceite para su normalidad, y buscar fugas de aceite. Las superficies de los embutidos deben examinarse en busca de marcas de descargas o flashover. Cualquier anomalía debe abordarse inmediatamente. También se recomienda la limpieza periódica de las exteriores de los transformadores para eliminar suciedad y contaminantes de los embutidos y otras superficies.

Antes de cada temporada anual de tormentas eléctricas, se debe realizar una inspección exhaustiva de ambos pararrayos de alta y baja tensión y de los conductores de tierra. Los pararrayos no conformes deben reemplazarse. Los conductores de tierra deben estar libres de hebras rotas, soldaduras deficientes o rupturas. Nunca se deben usar conductores de aluminio para los conductores de tierra; en su lugar, se recomiendan varillas de acero de 10-12 mm de diámetro o tiras de acero plano de 30×3 mm.

La resistencia a tierra debe medirse anualmente durante el invierno bajo condiciones climáticas favorables (al menos una semana de clima despejado continuo). Los sistemas de tierra no conformes deben ser remediados.

Las conexiones entre los terminales del transformador y los conductores de línea aérea en ambos lados de alta y baja tensión deben usar componentes de transición cobre-aluminio o abrazaderas de equipo cobre-aluminio. Antes de la conexión, las superficies de estos componentes deben pulirse con lija de grano fino y recubrirse con una cantidad adecuada de grasa conductiva.

Al operar los cambiadores de tomas del transformador, se deben seguir estrictamente los procedimientos. Después del ajuste, el transformador no debe ser devuelto inmediatamente al servicio. En cambio, se deben medir los valores de resistencia directa de cada fase con un puente antes y después de la operación y compararlos. Si no se observan cambios significativos, se deben comparar los valores de resistencia directa fase a fase y línea a línea después de la operación, con diferencias de fase que no excedan el 4% y diferencias de línea menores al 2%. Si no se cumplen estos criterios, se debe identificar y corregir la causa. Solo después de cumplir estos requisitos, el transformador debe ser devuelto al servicio.