¿Qué son los fallos en el transformador?

¿Qué son los fallos en un transformador?

Definición de fallos en transformadores

Los fallos en un transformador se refieren a problemas como roturas de aislamiento y fallos en el núcleo que pueden ocurrir dentro o fuera del transformador.

Fallos externos en transformadores de potencia

Cortocircuito externo en transformadores de potencia

Los cortocircuitos pueden ocurrir en dos o tres fases del sistema eléctrico de potencia. La corriente de falla es generalmente alta, dependiendo del voltaje cortocircuitado y la impedancia del circuito hasta el punto de falla. Esta alta corriente de falla aumenta la pérdida de cobre, causando calentamiento interno en el transformador. También crea tensiones mecánicas severas, especialmente durante el primer ciclo de la corriente de falla.

Perturbación de alta tensión en transformadores de potencia

Las perturbaciones de alta tensión en transformadores de potencia son de dos tipos,

• Sobretensión transitoria

• Sobretensión de frecuencia de red

Sobretensión transitoria

Pueden surgir sobretensiones de alta tensión y alta frecuencia en el sistema de potencia debido a cualquiera de las siguientes causas,

• Tierra arco si el punto neutro está aislado.

• Operaciones de conmutación de diferentes equipos eléctricos.

• Impulso de rayo atmosférico.

Cualquiera que sea la causa de la sobretensión, es en última instancia una onda viajera con forma de onda alta y escarpada y también de alta frecuencia. Esta onda viaja por la red del sistema de potencia, al llegar al transformador, causa la ruptura del aislamiento entre vueltas adyacentes al terminal de línea, lo que puede crear un cortocircuito entre vueltas.

Sobretensión de frecuencia de red

Siempre hay una posibilidad de sobretensión en el sistema debido a la desconexión repentina de una carga grande. Aunque la amplitud de este voltaje es mayor que su nivel normal, la frecuencia es la misma que en condiciones normales. La sobretensión en el sistema causa un aumento en la tensión sobre el aislamiento del transformador. Como sabemos, el voltaje, el aumento del voltaje causa un aumento proporcional en el flujo de trabajo.

Esto, por lo tanto, causa un aumento en la pérdida de hierro y un aumento proporcionalmente grande en la corriente de magnetización. El flujo aumentado se desvía del núcleo del transformador a otras partes estructurales de acero del transformador. Los pernos del núcleo, que normalmente llevan poco flujo, pueden estar sujetos a un gran componente de flujo desviado de la región saturada del núcleo junto a ellos. Bajo estas condiciones, el perno puede calentarse rápidamente y destruir su propio aislamiento, así como el aislamiento de las bobinas.

Efecto de baja frecuencia en transformadores de potencia

Como, el voltaje y el número de vueltas en la bobina están fijos. De esta ecuación es claro que si la frecuencia disminuye en un sistema, el flujo en el núcleo aumenta, los efectos son más o menos similares a los de la sobretensión.

Fallos internos en transformadores de potencia

Los principales fallos que ocurren dentro de un transformador de potencia se categorizan como,

• Rotura de aislamiento entre la bobina y tierra

• Rotura de aislamiento entre diferentes fases

• Rotura de aislamiento entre vueltas adyacentes, es decir, fallo interturno

• Fallo en el núcleo del transformador

Fallos internos a tierra en transformadores de potencia

Fallos internos a tierra en una bobina conectada en estrella con el punto neutro a tierra a través de una impedancia

En una bobina conectada en estrella con el punto neutro a tierra a través de una impedancia, la corriente de falla depende de la impedancia de tierra y la distancia desde el punto de falla al neutro. La tensión en el punto de falla es mayor si está más lejos del neutro, lo que lleva a una corriente de falla mayor. La corriente de falla también depende de la reactancia de fuga de la porción de la bobina entre el punto de falla y el neutro, pero esto es generalmente bajo en comparación con la impedancia de tierra.

Fallos internos a tierra en una bobina conectada en estrella con el punto neutro firmemente a tierra

En este caso, la impedancia de tierra es idealmente cero. La corriente de falla depende de la reactancia de fuga de la porción de la bobina entre el punto de falla y el punto neutro del transformador. La corriente de falla también depende de la distancia entre el punto neutro y el punto de falla en el transformador.

Como se dijo en el caso anterior, la tensión entre estos dos puntos depende del número de vueltas de la bobina entre el punto de falla y el punto neutro. Así, en una bobina conectada en estrella con el punto neutro firmemente a tierra, la corriente de falla depende de dos factores principales, primero, la reactancia de fuga de la bobina entre el punto de falla y el punto neutro, y segundo, la distancia entre el punto de falla y el punto neutro. 

Pero la reactancia de fuga de la bobina varía de manera compleja con la posición de la falla en la bobina. Se observa que la reactancia disminuye muy rápidamente para el punto de falla que se acerca al neutro y, por lo tanto, la corriente de falla es la más alta para la falla cerca del extremo neutro. En este punto, la tensión disponible para la corriente de falla es baja y, al mismo tiempo, la reactancia que se opone a la corriente de falla también es baja, por lo que el valor de la corriente de falla es suficientemente alto. 

Nuevamente, en el punto de falla alejado del punto neutro, la tensión disponible para la corriente de falla es alta, pero al mismo tiempo, la reactancia ofrecida por la porción de la bobina entre el punto de falla y el punto neutro es alta. Se puede notar que la corriente de falla se mantiene en un nivel muy alto a lo largo de toda la bobina. En otras palabras, la corriente de falla mantiene una magnitud muy alta independientemente de la posición de la falla en la bobina.

Fallos internos entre fases en transformadores de potencia

Los fallos entre fases en el transformador son raros. Si tal fallo ocurre, dará lugar a una corriente sustancial para operar el relé de sobrecorriente instantáneo en el lado primario, así como el relé diferencial.

Fallos interturno en transformadores de potencia

El transformador de potencia conectado con el sistema de transmisión de extra alta tensión eléctrica, es muy susceptible a ser sometido a impulsos de alta magnitud, frente escarpado y alta frecuencia debido a la sobretensión por rayo en la línea de transmisión. Las tensiones entre las vueltas de la bobina se vuelven tan grandes que no pueden soportar la tensión, causando fallas de aislamiento entre las vueltas interiores en algunos puntos. También, la bobina de baja tensión se ve sometida debido a la sobretensión transferida. Un gran número de fallos de transformadores de potencia surgen de fallos entre vueltas. Los fallos interturno también pueden ocurrir debido a fuerzas mecánicas entre vueltas originadas por cortocircuitos externos.

Fallos en el núcleo de transformadores de potencia

Si alguna parte de la laminación del núcleo está dañada o puentead