Protección del transformador y fallo del transformador

Existen diferentes tipos de transformadores, como los de dos o tres bobinados, transformadores eléctricos de potencia, autotransformadores, transformadores reguladores, transformadores de tierra, transformadores rectificadores, etc. Diferentes transformadores requieren diferentes esquemas de protección del transformador dependiendo de su importancia, conexiones de las bobinas, métodos de puesta a tierra y modo de operación, etc.
Es práctica común proporcionar protección con rele de Buchholz a todos los transformadores de 0,5 MVA y superiores. Mientras que para todos los pequeños transformadores de distribución, solo se utilizan fusibles de alta tensión como dispositivo principal de protección. Para todos los transformadores de distribución de mayor calificación e importantes, se aplica la protección contra sobrecorriente junto con la protección contra fallo a tierra restringido.
Se debe proporcionar protección diferencial en los transformadores con una calificación superior a 5 MVA.

Dependiendo de las condiciones normales de servicio, la naturaleza de los fallos del transformador, el grado de sobrecarga sostenida, el esquema de cambio de tomas, y muchos otros factores, se eligen los esquemas de protección del transformador adecuados.

Naturaleza de los Fallos del Transformador

Aunque un transformador eléctrico de potencia es un dispositivo estático, las tensiones internas que surgen de condiciones anormales del sistema deben tenerse en cuenta.
Un transformador generalmente sufre de los siguientes tipos de fallos del transformador:

1. Sobrecorriente debido a sobrecargas y cortocircuitos externos,

2. Fallos en terminales,

3. Fallos en bobinas,

4. Fallos incipientes.

Todos los mencionados fallos del transformador causan tensiones mecánicas y térmicas dentro de las bobinas del transformador y sus terminales de conexión. Las tensiones térmicas llevan al sobrecalentamiento, lo que finalmente afecta el sistema de aislamiento del transformador. La deterioración del aislamiento conduce a fallos en las bobinas. A veces, el fallo del sistema de enfriamiento del transformador, lleva al sobrecalentamiento del transformador. Por lo tanto, los esquemas de protección del transformador son muy necesarios.

La corriente de cortocircuito de un transformador eléctrico normalmente se limita por su reactancia y, para una baja reactancia, el valor de la corriente de cortocircuito puede ser excesivamente alto. La duración de los cortocircuitos externos que un transformador puede soportar sin daño se da en BSS 171:1936.

Los fallos generales de las bobinas en un transformador son, ya sea fallos a tierra o fallos entre vueltas. Los fallos de bobina fase a fase en un transformador son raros. Los fallos de fase en un transformador eléctrico pueden ocurrir debido a un flashover en el aislador o fallos en el equipo de cambio de tomas. Cualquiera que sea el fallo, el transformador debe ser aislado inmediatamente durante el fallo, de lo contrario, puede ocurrir un gran fallo en el sistema eléctrico de potencia.
Los fallos incipientes son fallos internos que no constituyen un peligro inmediato. Pero si estos fallos se pasan por alto y no se atienden, pueden llevar a fallos mayores. Los fallos en este grupo son principalmente cortocircuitos entre laminaciones debido al fallo del aislamiento entre las laminaciones del núcleo, la disminución del nivel de aceite debido a fugas de aceite, obstrucción de las vías de flujo de aceite. Todos estos fallos llevan al sobrecalentamiento. Por lo tanto, se requiere un esquema de protección del transformador también para los fallos incipientes del transformador. El fallo a tierra, muy cerca del punto neutro de la bobina en estrella del transformador, también puede considerarse como un fallo incipiente.
Influencia de las conexiones de las bobinas y la puesta a tierra en la magnitud de la corriente de fallo a tierra.
Existen principalmente dos condiciones para que fluya la corriente de fallo a tierra durante los fallos de bobina a tierra,

1. Existe una corriente para que fluya hacia y desde la bobina.

2. Se mantiene un equilibrio de vueltas-amperio entre las bobinas.

El valor de la corriente de fallo a tierra de la bobina depende de la posición del fallo en la bobina, el método de conexión de la bobina y el método de puesta a tierra. El punto neutro de las bobinas puede estar conectado a tierra de manera sólida o a través de un resistor. En el lado delta del transformador, el sistema está conectado a tierra a través de un transformador de puesta a tierra. El transformador de puesta a tierra proporciona una ruta de baja impedancia para la corriente de secuencia cero y alta impedancia para las corrientes de secuencia positiva y negativa.

Bobina en Estrella con Neutro Resistivo Conectado a Tierra

En este caso, el punto neutro del transformador está conectado a tierra a través de un resistor y el valor de la impedancia de éste es mucho mayor que la impedancia de la bobina del transformador. Esto significa que el valor de la impedancia de la bobina del transformador es insignificante en comparación con la impedancia del resistor de puesta a tierra. El valor de la corriente a tierra, por lo tanto, es proporcional a la posición del fallo en la bobina. Como la corriente de fallo en la bobina primaria de los transformadores es proporcional a la relación de las vueltas secundarias cortocircuitadas a las vueltas totales en la bobina primaria, la corriente de fallo primaria será proporcional al cuadrado del porcentaje de la bobina cortocircuitada. La variación de la corriente de fallo tanto en la bobina primaria como en la secundaria se muestra a continuación.

Bobina en Estrella con Neutro Sólidamente Conectado a Tierra

En este caso, la magnitud de la corriente de fallo a tierra se limita únicamente por la impedancia de la bobina y el fallo ya no es proporcional a la posición del fallo. La razón de esta no linealidad es el desequilibrio de enlace de flujo.

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