¿Cuáles son las fallas comunes encontradas durante la operación de la protección diferencial longitudinal del transformador eléctrico?

Protección Diferencial Longitudinal del Transformador: Problemas Comunes y Soluciones

La protección diferencial longitudinal del transformador es la más compleja entre todas las protecciones diferenciales de componentes. Ocasionalmente, ocurren malfuncionamientos durante la operación. Según las estadísticas de 1997 de la Red Eléctrica del Norte de China para transformadores de 220 kV y superior, hubo un total de 18 operaciones incorrectas, de las cuales 5 fueron debido a la protección diferencial longitudinal, lo que representa aproximadamente un tercio. Las causas de malfuncionamiento o falla en la operación incluyen problemas relacionados con la operación, mantenimiento y gestión, así como problemas en la fabricación, instalación y diseño. Este artículo analiza los problemas comunes relacionados con el campo y presenta métodos prácticos de mitigación.

1. Corriente Desbalanceada Causada por la Corriente de Inrush del Transformador

Durante la operación normal, la corriente de magnetización fluye solo en el lado alimentado y crea una corriente desbalanceada en la protección diferencial. Generalmente, la corriente de magnetización es del 3% al 8% de la corriente nominal; para transformadores grandes, suele ser inferior al 1%. Durante fallos externos, la caída de tensión reduce la corriente de magnetización, minimizando su impacto. Sin embargo, durante la energización de un transformador sin carga o la recuperación de tensión después de la eliminación de un fallo externo, puede ocurrir una gran corriente de inrush, alcanzando 6-8 veces la corriente nominal.

Esta corriente de inrush contiene componentes no periódicos significativos y armónicos de orden superior, principalmente el segundo armónico, y exhibe discontinuidades en la forma de onda de la corriente (ángulos muertos).

Métodos de mitigación en la protección diferencial longitudinal:

(1) Relés tipo BCH con transformadores de corriente de saturación rápida:
Durante fallos externos, el componente no periódico alto satura rápidamente el núcleo del transformador de saturación rápida, evitando que la corriente desbalanceada se transfiera a la bobina del relé, evitando así un disparo falso. Durante fallos internos, aunque inicialmente existen componentes no periódicos, estos se desvanecen en ~2 ciclos. Posteriormente, solo fluye la corriente de fallo periódica, permitiendo la operación sensible del relé.

(2) Relés basados en microprocesador utilizando restricción de segundo armónico:
La mayoría de los relés digitales modernos utilizan la restricción de segundo armónico para distinguir el inrush de los fallos internos. Si ocurre un malfuncionamiento durante la eliminación de un fallo externo:

• Cambiar de la restricción fase a fase ("AND") al modo de restricción de máxima fase ("OR").

• Reducir la relación de restricción de segundo armónico al 10%-12%.

• En sistemas de gran capacidad donde el contenido de quinto armónico también es alto después de la eliminación del fallo, agregar restricción de quinto armónico.

• Para transformadores equipados con doble protección diferencial, considerar el uso de principios de simetría de onda para identificar el inrush—este método es más sensible y confiable que la restricción armónica sola.

2. Conexión Incorrecta en los Circuitos Secundarios de CT

Una causa recurrente de malfuncionamiento es la inversión de polaridad de los terminales secundarios del transformador de corriente (CT)—un resultado de capacitación inadecuada, desviación de los planos de diseño o insuficientes pruebas de puesta en marcha.

Práctica preventiva:
Antes de poner en servicio la protección diferencial longitudinal—después de una nueva instalación, pruebas periódicas o cualquier modificación en el circuito secundario—el transformador debe cargarse, y se deben realizar las siguientes comprobaciones:

• Medir la tensión desbalanceada en el bucle diferencial utilizando un voltímetro de alta impedancia; debe cumplir con los límites de código.

• Medir la magnitud y el ángulo de fase de las corrientes secundarias en todos los lados.

• Construir un diagrama vectorial hexagonal para verificar que la suma vectorial de las corrientes de la misma fase sea cero o cercana a cero, confirmando la correcta conexión.

Solo después de estas verificaciones, la protección debe ser formalmente puesta en marcha.

3. Contacto Deficiente o Circuito Abierto en los Circuitos Secundarios

Los malfuncionamientos debido a conexiones sueltas o circuitos abiertos en los bucles secundarios de CT ocurren anualmente.

Recomendaciones:

• Fortalecer la monitorización en tiempo real de la corriente diferencial durante la operación.

• Después de la instalación/puesta en marcha del relé o de las grandes revisiones del transformador, inspeccionar todas las conexiones secundarias de CT.

• Apretar los tornillos de los terminales y usar arandelas de resorte o clips antivibración.

• Para aplicaciones críticas, usar dos cables paralelos para el cableado secundario diferencial para mitigar el riesgo de circuito abierto.

4. Problemas de Aterramiento en los Circuitos Secundarios de Protección Diferencial

Algunos sitios violan las medidas antiaccidentes al tener dos puntos de aterramiento, uno en el gabinete de protección y otro en la caja terminal del patio de maniobras. La diferencia de potencial de tierra resultante, especialmente durante rayos o soldadura cercana, puede inducir una corriente diferencial espuria y causar un disparo falso.

Solución:
Aplicar estrictamente el aterramiento de un solo punto. El único punto de tierra confiable debe estar ubicado dentro del gabinete de protección.

5. Degradación del Aislamiento de los Cables Secundarios de CT

La falla del aislamiento en los cables secundarios de CT, a menudo debido a prácticas de construcción deficientes, también lleva a malfuncionamientos. Las causas comunes incluyen:

• Daño en la cubierta del cable durante la colocación,

• Unión de dos cables cuando la longitud es insuficiente,

• Soldadura de conductos de cable con cables en el interior, causando daño térmico.

Esto crea riesgos ocultos para la confiabilidad de la protección.

Medidas preventivas:

• Durante el mantenimiento mayor del equipo, probar periódicamente la resistencia aislante entre cada núcleo a tierra y núcleo a núcleo utilizando un megómetro de 1000 V; los valores deben cumplir con los requisitos del código.

• Mantener los extremos de los cables expuestos en los terminales tan cortos como sea posible para prevenir el aterramiento accidental o cortocircuitos fase a fase debido a vibraciones.

6. Selección de Transformadores de Corriente para la Protección Diferencial Longitudinal

La protección diferencial implica CTs en diferentes niveles de tensión, con relaciones y modelos variables, lo que lleva a características transitorias desajustadas, una fuente potencial de malfuncionamiento o falla en la operación.

• Lado de 500 kV: Usar CTs de clase TP (clase de rendimiento transitorio), cuyos núcleos con brecha limitan la remanencia a <10% del flujo de saturación, mejorando enormemente la respuesta transitoria.

• 220 kV y por debajo: Generalmente usar CTs de clase P, que no tienen brecha, tienen mayor remanencia y peor rendimiento transitorio.

Orientación de selección: Aunque los CTs de clase TP ofrecen un rendimiento técnico superior, son caros y voluminosos, especialmente en el lado de baja tensión, donde la instalación en ductos de bus cerrados es difícil. Por lo tanto, a menos que existan requisitos especiales del sistema, se deben preferir los CTs de clase P si satisfacen las necesidades operativas reales, evitando costos innecesarios y desafíos de instalación.

Además, la sección transversal del cable secundario debe ser adecuada:

• Para largas distancias de cable, usar un conductor de tamaño ≥4 mm² para minimizar la carga y asegurar la precisión.