Análisis de Cuatro Casos Mayores de Quemaduras en Transformadores Eléctricos

Caso Uno

El 1 de agosto de 2016, un transformador de distribución de 50 kVA en una estación de suministro eléctrico comenzó a expulsar aceite durante su operación, seguido por la quema y destrucción del fusible de alta tensión. Las pruebas de aislamiento revelaron cero megohmios desde el lado de baja tensión hasta tierra. La inspección del núcleo determinó que el daño al aislamiento del bobinado de baja tensión había causado un cortocircuito. El análisis identificó varias causas principales para este fallo del transformador:

Sobrecarga: La gestión de la carga ha sido históricamente un punto débil en las estaciones de suministro eléctrico de base. Antes de las reformas del sistema de electricidad rural, el desarrollo fue en gran medida no planificado. Los fallos de los transformadores eran ocurrencias comunes durante el Festival de Primavera, las temporadas de cultivo y los períodos de sequía cuando se necesitaba riego. Aunque se han implementado sistemas de gestión, las capacidades de gestión de los electricistas rurales necesitan mejora. Las cargas eléctricas rurales crecen rápidamente con patrones estacionales fuertes y carecen de gestión planificada. La sobrecarga a largo plazo causa la quema de los transformadores. Además, como los ingresos de los agricultores han aumentado significativamente, las cargas de electrodomésticos han crecido rápidamente, y las industrias de procesamiento individual centradas en los hogares rurales se han desarrollado rápidamente, lo que resulta en un crecimiento sustancial de la carga eléctrica. Mientras que la inversión en equipos de distribución es considerable, los fondos limitados significan que la sustitución de los transformadores no puede mantenerse al ritmo del crecimiento de la carga, causando que los transformadores se quemen por sobrecarga.

Además, las cargas eléctricas rurales son difíciles de gestionar y la conciencia de uso planificado de la electricidad es débil. Durante los períodos de carga máxima, como el riego, las temporadas de cultivo y las horas de la noche, la competencia por el uso de la electricidad se convierte en un problema, contribuyendo a la quema de los transformadores.

Desbalance de Carga Trifásica: Cuando las cargas trifásicas están desequilibradas, ocurren corrientes trifásicas asimétricas, generando corriente de secuencia cero en la línea neutral. El flujo magnético de secuencia cero generado por esta corriente induce potencial de secuencia cero en los bobinados del transformador, desplazando el potencial del punto neutro. La fase con mayor corriente se sobrecarga, dañando el aislamiento del bobinado, mientras que la fase con menor corriente no alcanza su capacidad nominal, reduciendo la eficiencia de salida del transformador. Las conexiones deficientes en los terminales de baja tensión y el terminal neutral de los bobinados de transformadores sobrecargados pueden causar calentamiento, envejecimiento y deformación de los sellos de goma y juntas de aceite, lo que lleva a fugas de aceite y a la quema de los terminales.

Fallos de Cortocircuito: Ya sea fallos de toma a tierra monofásicos o cortocircuitos entre fases, la pequeña impedancia de los bobinados de baja tensión de los transformadores de distribución produce corrientes de cortocircuito extremadamente altas. Especialmente con cortocircuitos cercanos, las corrientes de falla pueden alcanzar más de 20 veces la corriente nominal del transformador. Estas poderosas corrientes de cortocircuito generan fuerzas electromagnéticas de impacto y calor significativos que dañan los transformadores de distribución, haciendo que los cortocircuitos sean el modo de fallo más destructivo para los transformadores.

Las causas primarias actuales de los fallos de cortocircuito incluyen:

• Poca distancia de seguridad para las líneas de distribución de baja tensión, donde árboles caídos o vehículos que golpean postes causan cortocircuitos

• Instalación, operación o mantenimiento inadecuado de los interruptores automáticos de baja tensión, causando cortocircuitos en los terminales de los interruptores

• Instalación deficiente o mantenimiento inadecuado de las cajas de medición de baja tensión montadas en los transformadores, causando cortocircuitos cercanos

Medidas Correctivas:

• Configurar adecuadamente los fusibles de baja tensión para que se derritan cuando la corriente de baja tensión exceda la corriente nominal del transformador, protegiendo el transformador. Los fusibles de baja tensión deben ser dimensionados a 1.5 veces la capacidad del transformador.

• Medir las cargas del transformador durante los períodos de alta demanda y reemplazar oportunamente los transformadores sobrecargados.

• Fortalecer la operación y el mantenimiento reemplazando aisladores rajados, despejando los corredores de línea y previniendo los cortocircuitos entre fases para proteger los transformadores.

Caso Dos

En 2015, una oficina de energía experimentó 32 quemas de transformadores. La mayoría fueron producidos por un solo fabricante. Después de extensas inspecciones del núcleo y muestreos de aceite, se descubrió que el 80% de las muestras de aceite de los transformadores contenían agua. Un análisis más profundo reveló que las tuberías de llenado de aceite de los conservadores de estos transformadores tenían un mal sellado. Durante las lluvias, el agua se acumulaba en las tuberías durante largos períodos y gradualmente se filtraba en los transformadores. Con el tiempo, el contenido de agua en el aceite del transformador continuó aumentando, reduciendo sus propiedades aislantes y causando fallos de los transformadores.

Medidas Correctivas:

• Instalar tazas metálicas sobre las tuberías de llenado de aceite para aislarlas del contacto directo con el agua. Después de instalar estas tazas en todos los transformadores de este tipo, el número de quemas disminuyó significativamente.

• Realizar anualmente pruebas de muestreo de aceite en los transformadores de distribución y reemplazar el aceite del transformador de manera oportuna cuando los resultados de las pruebas no sean satisfactorios.

Caso Tres

En 2018, un transformador de potencia en una estación de suministro se quemó en un día soleado y claro cuando la carga no era pesada. La inspección del núcleo reveló puntos de arco de cortocircuito evidentes en el bobinado de alta tensión, causados por un aislamiento deficiente que provocó un cortocircuito.

Análisis: Este tipo de fallo del transformador carece de factores externos obvios, lo que dificulta identificar la causa sin una inspección del núcleo. La mayoría de estos fallos ocurren porque el rendimiento del aislamiento del transformador se degrada con el tiempo de operación prolongado, y no se toman medidas oportunas. Eventualmente, el aislamiento no puede cumplir con los requisitos operativos, causando que el transformador se queme.

Medidas correctivas:

• Realizar anualmente pruebas de resistencia de aislamiento en transformadores de distribución, mantener registros y analizar tendencias. Reemplazar los transformadores de manera oportuna cuando los valores de aislamiento caigan por debajo de los requisitos para prevenir quemaduras.

• Monitorear regularmente el aislamiento de los transformadores ubicados frecuentemente en áreas propensas a rayos para prevenir fallos debido al aislamiento degradado.

Caso Cuatro

El 6 de julio de 2017, durante una tormenta eléctrica, un transformador ubicado en la cima de una montaña en una estación de suministro de energía experimentó la quema de su fusible de alta tensión y la proyección de aceite. Las pruebas de aislamiento mostraron cero megohmios desde la alta tensión hasta tierra, indicando daño en el transformador.

Análisis: La causa de este fallo del transformador fue la sobretensión inducida por el rayo, que rompió el aislamiento del transformador, provocando un cortocircuito.

Medidas correctivas:

• Mejorar la resistencia a tierra de los pararrayos de los transformadores para asegurar que los valores permanezcan dentro de límites razonables.

• Realizar anualmente pruebas de aislamiento de los pararrayos de alta y baja tensión en transformadores de distribución, reemplazando de inmediato aquellos que no cumplan con los estándares.

Fortalecimiento de la Gestión de Personal para Prevenir Accidentes

La condición operativa de los transformadores de distribución está inseparablemente relacionada con la calidad de la gestión. Con una gestión meticulosa, los incidentes de quemadura de transformadores pueden ser previstos eficazmente.

• Comprender las condiciones de carga de cada área de transformador: El personal de gestión de energía debe evaluar regularmente las cargas de los usuarios, monitoreando tanto el aumento de electrodomésticos para los usuarios residenciales como la expansión de fábricas y minas, maquinaria adicional y equipos de calefacción/refrigeración. Esta información puede recopilarse a través de la lectura de medidores y visitas de campo regulares para mantener una conciencia precisa.

• Resumir experiencias y lecciones pasadas: Comprender los patrones de cómo los cambios climáticos estacionales afectan el equipo. Fortalecer y mejorar los puntos débiles y peligros potenciales revelados durante desastres, implementando medidas preventivas dirigidas, como ajustar la protección contra sobrecarga del transformador según las condiciones reales para mejorar la resistencia del equipo a desastres naturales.

• Realizar análisis y pronóstico de carga proactivo: Utilizando datos de primera mano recopilados de los dos puntos anteriores, realizar pronósticos de carga de manera científica e implementar actualizaciones apropiadas, incluyendo modificaciones de línea, redistribución de carga e incremento de la capacidad del transformador. Fortalecer las inspecciones de equipos durante desastres de viento, nieve, lluvia congelante y períodos de frío extremo para prevenir fallos y mejorar la confiabilidad del equipo mientras se reducen las quemaduras de transformadores.

• Enfatizar la responsabilidad del personal: Primero, establecer una fuerte conciencia de servicio enfocada en el servicio al usuario y garantizando voltaje de calidad y estable. El personal debe ser hábil para identificar peligros potenciales y escuchar la retroalimentación de los usuarios, abordando problemas de manera oportuna sin demora. El equipo nunca debe operarse con fallas conocidas o ignorar problemas. La gestión debe cambiar de una respuesta pasiva a una ejecución proactiva y de una ejecución rutinaria a una implementación creativa. Segundo, la responsabilidad debe ser aplicada. Sin mecanismos de responsabilidad, las responsabilidades laborales y regulaciones se vuelven irrelevantes. Debe aplicarse una estricta responsabilidad para el personal que descuida sus deberes, abusa de su autoridad para beneficio personal, realiza trabajo perfunctorio o no implementa efectivamente medidas, resultando en problemas de usuarios no resueltos, peligros no abordados o daños en el equipo. Solo integrando el cumplimiento de la responsabilidad con mecanismos de responsabilidad rigurosos, se puede fortalecer la responsabilidad laboral, mejorar la eficiencia operativa, aumentar la efectividad de la implementación, servir mejor las necesidades de los usuarios, prevenir incidentes de energía causados por humanos y mantener la integridad operativa del equipo.

Conclusión

En resumen, los transformadores de potencia pueden fallar por muchas razones durante la operación, pero con una gestión y mantenimiento reforzados, los fallos de transformadores causados por humanos pueden reducirse significativamente. Esto mejora la confiabilidad del suministro de energía mientras reduce los costos de mantenimiento para las empresas de energía, beneficiando tanto a las empresas como a los usuarios. Esto demuestra la importancia práctica significativa de analizar los fallos de los transformadores e implementar medidas correctivas adecuadas.