Mitigación de la corriente de inrush en transformadores de media tensión mediante dispositivo de conmutación controlado

Dispositivos de Conmutación Controlada en el Rango de Media Tensión

Hace más de tres décadas, los Dispositivos de Conmutación Controlada (CSD) se introdujeron por primera vez para mitigar las transitorias de conmutación causadas por interruptores de alta tensión conectados a reactancias y bancos de capacitores. Las investigaciones posteriores expandieron su aplicación a líneas de transmisión y transformadores de potencia. Inicialmente, estos dispositivos optimizaban los momentos de conmutación en una base por fase utilizando interruptores de circuito operados por polos independientes (IPO).

Recientemente, el aumento global de la demanda energética ha impulsado la integración de fuentes de energía renovable en redes de distribución de media tensión, en lugar de depender únicamente de sistemas de transmisión de alta tensión (HV). Este cambio ha hecho necesario abordar problemas de caídas de tensión debido a corrientes de entrada no controladas durante la energización de los transformadores.

El equipo de conmutación de media tensión generalmente opera con tres polos simultáneamente, lo que contrasta con la operación independiente en aplicaciones de alta tensión. Esto requirió avances significativos en la tecnología CSD para gestionar eficazmente las corrientes de entrada de los transformadores utilizando interruptores estándar con operación simultánea de polos. Hoy en día, esta innovación se utiliza ampliamente no solo en instalaciones de energía renovable como parques eólicos y plantas fotovoltaicas solares, sino también en configuraciones industriales y redes de transporte, donde el control de las corrientes de entrada es crucial para la energización confiable de transformadores de media y alta tensión.

Corriente de Entrada en Transformadores de Media Tensión

La magnitud de la corriente de entrada durante la energización del transformador se ve significativamente influenciada por el flujo residual dentro del núcleo del transformador; niveles más altos de flujo residual pueden llevar a mayores corrientes de entrada al energizar de manera aleatoria. Estrategias efectivas de mitigación son esenciales para evitar perturbaciones operativas y garantizar la estabilidad de la red.

Al implementar técnicas avanzadas de conmutación controlada, es posible minimizar o eliminar estas corrientes de entrada. Estos métodos no solo mejoran la confiabilidad del sistema, sino que también prolongan la vida útil del equipo, reducen los costos de mantenimiento y mejoran la eficiencia general en redes de distribución de media tensión. La adopción de tales tecnologías marca un avance crucial en la adaptación a las demandas evolutivas de las redes de distribución eléctrica modernas.

Relación Entre el Flujo Residual y la Corriente de Entrada del Transformador

Los datos de campo recopilados durante la puesta en marcha de Dispositivos de Conmutación Controlada (CSD) en interruptores de circuito y equipos de conmutación con operación simultánea de polos han verificado la relación entre el flujo residual y la corriente de entrada del transformador. El uso de CSDs generalmente resulta en una reducción de 3:1 en la corriente de entrada en comparación con la energización aleatoria, mitigando significativamente las posibles perturbaciones.

Métodos de Mitigación de la Corriente de Entrada con Interruptor de Circuito Operado en Grupo

La siguiente explicación ilustra el concepto de conmutación controlada para la mitigación de la corriente de entrada aplicada a transformadores de potencia:

Cuando se energiza la fase R de un transformador desmagnetizado en el cruce por cero del voltaje (como se muestra a la izquierda en la Figura 1), esto fuerza el núcleo del transformador profundamente hacia la saturación, introduciendo un flujo adicional de 2 unidades per unit (p.u.) en el núcleo. Esta condición puede llevar a corrientes de entrada significativas debido a la saturación del núcleo.

Sin embargo, cuando el transformador se energiza en la cresta positiva del voltaje, este primer cuarto de ciclo positivo solo añade 1 p.u. de flujo al núcleo. A medida que el voltaje luego transita a su semiciclo negativo, comienza a disminuir el flujo dentro del núcleo. Dado que el transformador no alcanza su límite de saturación bajo estas condiciones, se evita la saturación del núcleo, previniendo así la ocurrencia de la corriente de entrada.

Este escenario corresponde a la energización en estado estable del transformador, donde el flujo del núcleo retrasa el voltaje en 90 grados. Al sincronizar cuidadosamente el momento de la energización con puntos óptimos en la onda de voltaje, se minimiza el riesgo de corrientes de entrada, asegurando un funcionamiento más suave y estable del transformador.

En resumen, las técnicas de conmutación controlada aprovechan la precisión del tiempo para mitigar eficazmente las corrientes de entrada. Al evitar la saturación del núcleo a través de puntos estratégicos de energización en el ciclo de voltaje, estos métodos aseguran un rendimiento confiable del transformador, mejoran la estabilidad de la red y reducen las perturbaciones operativas. Este enfoque representa un avance crítico en la tecnología de equipos de conmutación de media tensión, ofreciendo beneficios sustanciales tanto para nuevas instalaciones como para actualizaciones de sistemas existentes.

La situación se vuelve más compleja al utilizar un interruptor trifásico con operación simultánea de polos. De hecho, seleccionar el instante de energización que minimiza la corriente de entrada en una fase puede ser perjudicial para las otras dos fases. Esto se ilustra en la Figura 2, donde mitigar la corriente de entrada para la fase R de un transformador desmagnetizado (izquierda) afecta adversamente a las fases Y y B (derecha).

Al optimizar el momento de energización para una fase para reducir su corriente de entrada, las condiciones para las otras dos fases pueden llevar inadvertidamente a corrientes de entrada aumentadas, destacando la necesidad de un enfoque equilibrado en sistemas multipolos.

Como se explicó anteriormente, el patrón de flujo residual en un transformador de potencia es el resultado de su anterior desenergización.

Cuando se reenergiza un transformador, el flujo dinámico inducido por el voltaje aplicado se suma o resta del flujo residual dependiendo de la polaridad del voltaje aplicado. Según los principios de la conmutación controlada, el momento óptimo de energización para una fase de un transformador de potencia ocurre cuando el flujo prospectivo inducido coincide con el flujo residual existente (Figura 3, izquierda). Por ejemplo, en presencia de flujo residual positivo, la aplicación de voltaje negativo primero disminuye el flujo del núcleo a cero en el pico de voltaje negativo y luego inmediatamente alcanza la operación en estado estable del transformador sin saturar su núcleo.

Por el contrario (Figura 3, derecha), energizar la fase en el cruce por cero positivo del voltaje añadiría 2 p.u. de flujo positivo al núcleo sobre el flujo residual existente de 0.5 p.u. Esto empuja el núcleo del transformador hacia una saturación profunda, resultando en una corriente de entrada excesiva. Por lo tanto, la presencia de flujo residual aumenta la corriente de entrada máxima cuando la energización del transformador es no controlada.

Seleccionar con precisión el instante de energización para que coincida el flujo inducido con el flujo residual puede prevenir eficazmente la saturación del núcleo, reduciendo las corrientes de entrada y asegurando un funcionamiento suave del transformador. Esta estrategia no solo mejora la confiabilidad del sistema, sino que también prolonga la vida útil del equipo y reduce los costos de mantenimiento. El momento adecuado de energización es especialmente crítico en sistemas multipolos para equilibrar el rendimiento entre fases, asegurando la estabilidad y eficiencia de la red.

Este enfoque subraya la importancia de considerar el efecto del flujo residual al diseñar e implementar tecnologías de conmutación controlada para transformadores de potencia, con el objetivo de lograr redes de transmisión de energía más eficientes y confiables.

Cuando hay flujo residual en el núcleo del transformador, la situación con un interruptor de circuito operado en grupo se vuelve aún más compleja. El instante óptimo de energización debe considerar la operación simultánea de todas las tres fases según la magnitud y la polaridad del flujo residual. Sin embargo, para cada patrón de flujo residual posible, siempre hay un instante óptimo de energización que resulta en la mínima saturación del transformador (Figura 4).

En el siguiente ejemplo, el patrón de flujo residual es 0, -0.5 y +0.5 p.u. en las fases R, Y y B, respectivamente. Energizar el transformador de potencia a 90° (la cresta de voltaje de la fase R) resulta en la mínima saturación de las fases. Sin embargo, cerrar la fase azul (asumiendo la fase B) en el cruce por cero positivo del voltaje (240°) causaría la peor corriente de entrada, que sería 6.5 veces mayor que el instante de conmutación óptimo calculado por un Dispositivo de Conmutación Controlada (CSD).

Esto destaca la importancia de determinar con precisión el instante óptimo de energización para cada condición específica de flujo residual para minimizar la saturación del transformador y las corrientes de entrada. Un momento adecuado asegura un funcionamiento más suave y mejora la confiabilidad y eficiencia del sistema de potencia.

Cuando no se controla la energización de un transformador de potencia, la peor corriente de entrada posible siempre aparecerá en la fase con el flujo residual más alto. Un Dispositivo de Conmutación Controlada (CSD) minimiza la corriente de entrada de energización calculando el instante óptimo de cierre de polos basado en el patrón de flujo residual. En consecuencia, bajo condiciones específicas de alto flujo residual, la corriente de entrada puede eliminarse por completo.

La Figura 5 ilustra la corriente de entrada relativa teórica durante la energización en función del flujo residual más alto de los tres medidos en el transformador (con un punto de rodilla de saturación a 1.2 p.u.). La corriente de entrada máxima se normaliza a la corriente de energización máxima del núcleo desmagnetizado. Cuando el flujo residual del núcleo es alto (en el eje horizontal), el CSD elimina la corriente de entrada impidiendo que el transformador entre en saturación (área inferior de la línea azul). Por el contrario, energizar el transformador de potencia en un momento aleatorio puede empujar el transformador a la saturación completa (línea roja), llevando a una corriente de entrada excesiva y a caídas de tensión subsecuentes en la red. Este diagrama, por lo tanto, demuestra la eficacia de la mitigación de la corriente de entrada proporcionada por un CSD en comparación con la energización aleatoria o no controlada.