Análisis de Accidentes y Medidas de Mejora para el Quemado del Selector de Tensión Alta en Transformadores EAF

Actualmente, la empresa opera dos transformadores de horno eléctrico de arco (EAF). El voltaje secundario varía desde 121 V hasta 260 V, con una corriente nominal de 504 A / 12,213 A. El lado de alta tensión tiene un total de ocho posiciones de toma, utilizando regulación de voltaje fuera de circuito accionada por motor. El equipo está equipado con un reactor de capacidad correspondiente, conectado en serie a las tomas designadas del lado de alta tensión. Estos transformadores han estado en operación durante más de 20 años. Durante este período, para satisfacer las demandas evolutivas del proceso de fabricación de acero, se han implementado varias actualizaciones técnicas en el sistema de control de electrodos y en el sistema de protección del transformador, con el objetivo de garantizar una operación segura y estable del equipo. Sin embargo, lograr este objetivo depende críticamente de la integridad y confiabilidad del circuito de interbloqueo entre el circuito de protección secundaria del transformador EAF y el sistema de control de electrodos del horno de arco. En los últimos años, se han producido varios incidentes de quemado de los cambiadores de tomas de alta tensión, lo que ha generado preocupación sobre la confiabilidad de los circuitos de interbloqueo asociados.

1 Fenómeno del accidente

Las inspecciones de los núcleos de los transformadores revelaron que todos los fallos involucraron el quemado del cambiador de tomas del lado de alta tensión. En cada incidente, la protección secundaria del lado de alta tensión funcionó de manera confiable. La configuración de la protección contra sobrecorriente instantánea para el interruptor de alta tensión fue de 6,000 A en el lado primario, lo que significa que la protección solo se activaría si la corriente de cortocircuito a través del cambiador de tomas excediera 6,000 A instantáneamente. Sin embargo, la corriente nominal del cambiador de tomas es solo de 630 A.

2 Análisis de la causa raíz

El proceso de fabricación de acero consta de tres etapas: fundición, oxidación y reducción. Durante la etapa de fundición, la carga trifásica fluctúa drásticamente, generando corrientes de inrush grandes que a menudo son desequilibradas. Incluso durante la etapa de refinado, los cambios continuos en la ruta de descarga del arco y la ionización del espacio de arco llevan a corrientes de carga desequilibradas constantemente, resultando en componentes de secuencia cero. Cuando estos componentes de secuencia cero se reflejan en el devanado de alta tensión conectado en estrella, causan un desplazamiento del voltaje del punto neutro.

Basándose en los fenómenos de fallo observados, se analizaron diversas condiciones contribuyentes. Se realizaron estudios detallados de los circuitos eléctricos del sistema de control de electrodos del horno de arco, la relación de interbloqueo con el circuito de protección secundaria de alta tensión y las posiciones del cambiador de tomas durante el cambio de engranajes. Se realizaron pruebas de campo repetidamente para simular si las condiciones que llevaron al fallo podrían ocurrir durante la fabricación de acero. Finalmente, se identificaron las siguientes deficiencias en el circuito de protección de interbloqueo del lado de alta tensión del transformador EAF. Durante la fabricación de acero, la ocurrencia de cualquiera de las siguientes condiciones podría llevar al quemado del cambiador de tomas:

• Realizar el cambio de tomas después del apagado de la alimentación de alta tensión. Durante el proceso de cambio de tomas utilizando el controlador de cambiador de tomas, la pantalla digital puede indicar la finalización, pero el cambiador de tomas no ha llegado completamente a su posición (es decir, el área de contacto entre los contactos móviles y fijos no ha alcanzado la capacidad requerida). Si se restaura la alimentación de alta tensión bajo estas condiciones, puede llevar a cortocircuitos entre fases y, posteriormente, al quemado del cambiador de tomas durante la fabricación de acero.

• Cambio de tomas bajo tensión, es decir, cambiar directamente la posición de tomas del cambiador de tomas mientras el horno de arco está en operación.

• Energización bajo carga, es decir, restaurar la alimentación de alta tensión mientras los electrodos trifásicos del horno de arco aún están en contacto con el acero fundido.

3 Medidas de mejora

En comparación con los transformadores de potencia convencionales, los transformadores EAF tienen las siguientes características: mayor capacidad de sobrecarga, mayor resistencia mecánica, mayor impedancia de cortocircuito, múltiples niveles de voltaje secundario, relaciones de transformación más altas, voltaje secundario bajo (decenas a cientos de voltios) y corriente secundaria alta (miles a decenas de miles de amperios). El control de la corriente en el horno de arco se logra cambiando las conexiones de tomas en el lado de alta tensión del transformador y ajustando las posiciones de los electrodos.

Durante la fabricación de acero, según los requisitos del proceso y la naturaleza operativa del transformador EAF, las dos unidades de interruptores de alta tensión instaladas en la parte frontal del horno operan docenas o incluso cientos de veces al día. Esto impone exigencias rigurosas sobre el rendimiento de los interruptores de vacío y la confiabilidad de las operaciones de protección. Por lo tanto, el diseño incorpora una configuración "uno en uso, uno en espera", controlada desde la estación de operador en la parte frontal del horno. La alimentación de energía se proporciona a través de cables de alimentación de alta tensión desde la subestación central de 66 kV de la empresa.

Dado las deficiencias en el circuito de control de protección de interbloqueo, es esencial prevenir las condiciones que llevan al quemado del cambiador de tomas durante las operaciones de fabricación de acero. A través del análisis del circuito de interbloqueo, las pruebas de simulación, el estudio estructural del cambiador de tomas y la comprensión del proceso de fabricación de acero, se desarrollaron las siguientes medidas correctivas:

• Prohibir la energización de alta tensión hasta que el cambio de tomas esté completamente terminado;

• Prohibir el cambio de tomas mientras el lado de alta tensión esté energizado;

• Prohibir la energización del transformador bajo carga.

4 Conclusión

Al implementar las soluciones anteriores para abordar las deficiencias en el circuito de control de protección de interbloqueo del transformador EAF, se ha mejorado significativamente la confiabilidad del sistema de interbloqueo. Esto previene eficazmente que los errores operativos del personal causen daños en el equipo, asegurando la operación segura, estable y confiable de los transformadores EAF. También garantiza la realización exitosa de las tareas de producción de acero de la empresa y reduce sustancialmente los costos de mantenimiento del equipo.