Fallas Externas e Internas en Transformador
Es esencial proteger los transformadores de alta capacidad contra fallos eléctricos externos e internos.
Fallos Externos en el Transformador de Potencia
Cortocircuito Externo del Transformador de Potencia
El cortocircuito puede ocurrir en dos o tres fases del sistema eléctrico de potencia. El nivel de corriente de fallo siempre es lo suficientemente alto. Depende de la tensión que ha sido cortocircuitada y de la impedancia del circuito hasta el punto de fallo. La pérdida de cobre del transformador que alimenta el fallo aumenta abruptamente. Este aumento de la pérdida de cobre causa calentamiento interno en el transformador. La corriente de fallo grande también produce fuertes tensiones mecánicas en el transformador. Las máximas tensiones mecánicas ocurren durante el primer ciclo de la corriente de fallo simétrica.
Perturbación de Alta Tensión en el Transformador de Potencia
Las perturbaciones de alta tensión en el transformador de potencia son de dos tipos,
Sobretensión Transitoria
Sobretensión a Frecuencia de Red
Sobretensión Transitoria
Una sobretensión de alta tensión y alta frecuencia puede surgir 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 una forma de onda alta y empinada y también de alta frecuencia. Esta onda se propaga en la red del sistema eléctrico de potencia, al llegar al transformador de potencia, provoca la ruptura de la aislación entre las vueltas adyacentes al terminal de línea, lo que puede crear un cortocircuito entre las vueltas.
Sobretensión a Frecuencia de Red
Siempre hay una posibilidad de sobretensión del sistema debido a la desconexión súbita de una gran carga. Aunque la amplitud de esta tensión es mayor que su nivel normal, la frecuencia es la misma que en condiciones normales. La sobretensión en el sistema causa un aumento de la tensión en el aislamiento del transformador. Como sabemos, la tensión, al aumentar, 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 tornillos del núcleo, que normalmente llevan poco flujo, pueden estar sometidos a un componente grande de flujo desviado de la región saturada del núcleo junto a él. En tales condiciones, el tornillo puede calentarse rápidamente y destruir su propio aislamiento, así como el aislamiento del devanado.
Efecto de Baja Frecuencia en el Transformador de Potencia
Como la tensión
, ya que el número de vueltas en el devanado es fijo. Por lo tanto,
A partir de esta ecuación, queda 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 el Transformador de Potencia
Los principales fallos que ocurren dentro de un transformador de potencia se categorizan como,
Ruptura de aislamiento entre el devanado y tierra
Ruptura de aislamiento entre diferentes fases
Ruptura de aislamiento entre vueltas adyacentes, es decir, fallo interturno
Fallo en el núcleo del transformador
Fallos Internos a Tierra en el Transformador de Potencia
Fallos Internos a Tierra en un Devanado Conectado en Estrella con Punto Neutro a Tierra a Través de una Impedancia
En este caso, la corriente de fallo depende del valor de la impedancia de tierra y es también proporcional a la distancia del punto de fallo desde el punto neutro, ya que la tensión en el punto depende del número de vueltas del devanado que se encuentran entre el punto neutro y el punto de fallo. Si la distancia entre el punto de fallo y el punto neutro es mayor, el número de vueltas bajo esta distancia también es mayor, por lo que la tensión entre el punto neutro y el punto de fallo es alta, lo que provoca una corriente de fallo mayor. Por lo tanto, en pocas palabras, se puede decir que, el valor de la corriente de fallo depende del valor de la impedancia de tierra, así como de la distancia entre el punto de fallo y el punto neutro. La corriente de fallo también depende de la reactancia de fuga de la porción del devanado a través del punto de fallo y el neutro. Pero en comparación con la impedancia de tierra, es muy baja y se ignora obviamente, ya que viene en serie con una impedancia de tierra mucho mayor en comparación.
Fallos Internos a Tierra en un Devanado Conectado en Estrella con Punto Neutro Fuertemente a Tierra
En este caso, la impedancia de tierra es idealmente cero. La corriente de fallo depende de la reactancia de fuga de la porción del devanado que se encuentra entre el punto de fallo y el punto neutro del transformador. La corriente de fallo también depende de la distancia entre el punto neutro y el punto de fallo en el transformador. Como se dijo en el caso anterior, la tensión entre estos dos puntos depende del número de vueltas del devanado que se encuentran entre el punto de fallo y el punto neutro. Así, en un devanado conectado en estrella con el punto neutro fuertemente a tierra, la corriente de fallo depende de dos factores principales, primero, la reactancia de fuga del devanado que se encuentra entre el punto de fallo y el punto neutro, y segundo, la distancia entre el punto de fallo y el punto neutro. Pero la reactancia de fuga del devanado varía de manera compleja con la posición del fallo en el devanado. Se observa que la reactancia disminuye muy rápidamente para el punto de fallo que se acerca al neutro y, por lo tanto, la corriente de fallo es máxima para el fallo cerca del extremo neutro. En este punto, la tensión disponible para la corriente de fallo es baja y, al mismo tiempo, la reactancia que se opone a la corriente de fallo también es baja, por lo que el valor de la corriente de fallo es lo suficientemente alto. Nuevamente, en un punto de fallo lejos del punto neutro, la tensión disponible para la corriente de fallo es alta, pero al mismo tiempo, la reactancia ofrecida por la porción del devanado entre el punto de fallo y el punto neutro es alta. Se puede notar que la corriente de fallo permanece en un nivel muy alto a lo largo del devanado. En otras palabras, la corriente de fallo mantiene una magnitud muy alta, independientemente de la posición del fallo en el devanado.
Fallos Internos Entre Fases en el Transformador 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 sobreintensidad instantáneo en el lado primario, así como el relé diferencial.
Fallo Interturno en el Transformador de Potencia
El transformador de potencia conectado con un sistema de transmisión de alta tensión extra, es muy probable que esté sujeto a una magnitud alta, frente empinado y un impulso de alta frecuencia debido a la sobretensión por rayo en la línea de transmisión. Las tensiones entre las vueltas del devanado se vuelven tan grandes que no pueden soportar la tensión, causando falla de aislamiento entre las vueltas interiores en algunos puntos. También, el devanado de baja tensión está estresado debido a la sobretensión transferida. Un gran número de fallos de transformadores de potencia surge de fallos entre vueltas. El fallo interturno también puede ocurrir debido a fuerzas mecánicas entre vueltas originadas por un cortocircuito externo.
Fallo en el Núcleo del Transformador de Potencia
Si alguna parte de la laminación del núcleo está dañada, o la laminación del núcleo está puentizada por cualquier material conductor, esto provoca que fluya suficiente corriente inducida, por lo que esta parte del núcleo se sobrecalienta. A veces, el aislamiento de los pernos (utilizados para apretar juntas las laminaciones del núcleo) falla, lo que también permite que fluya suficiente corriente inducida a través del perno, causando sobrecalentamiento. Este fallo de aislamiento en las lamin
