Ondas transitorias de conexión de Transformadores
Efectos y consecuencias del llamado “falso cortocircuito”
La conexión
de un transformador a su tensión nominal da lugar a un período transitorio en
el que la corriente puede alcanzar valores de cresta de 12 a 25 veces
superiores de su intensidad nominal con constantes de tiempo comprendidas entre
0,1 y 0,7 segundos cuando se energiza por las bobinas de mayor tensión
normalmente las externas o más alejadas del núcleo magnético (caso de transformadores reductores). Este fenómeno se confunde con una corriente de
cortocircuito y suele hacer actuar las
protecciones del transformador de forma no deseada y reiterada.
Este
fenómeno se agrava duplicándose cuando el transformador se energiza por su lado
de menor tensión (bobinas internas con menor flujo disperso) caso común en
transformadores elevadores, siendo, por tanto, la irrupción de corriente en la
conexión de 24 a 60 veces superior a su corriente nominal, lo que provocará
fuerzas electrodinámicas en los bobinados del orden de 242 a 502,
es decir, de 576 a 2500 veces las del régimen a plena carga, valores estos,
superiores a la propia corriente de cortocircuito impuesta por su impedancia interna,
pudiendo causar desajustes en las calas de sujeción e incluso la avería prematura
del transformador cuando se suceden con mucha frecuencia estas maniobras e
incluso pueden provocar la explosión del interruptor de maniobra si no se ha
tenido en cuenta en el proyecto esta particularidad en relación a su capacidad
de ruptura.
El fenómeno
de la corriente de conexión es tanto más pronunciado cuanto más saturable es el
núcleo del transformador, es decir, cuanto menores son las pérdidas y mejor es
la calidad de la chapa, en la actualidad el caso más desfavorable con relación
a este fenómeno se produce en los transformadores con núcleo amorfo.
Debido al
valor no nulo de la resistencia del devanado primario, la corriente transitoria
de conexión se amortigua rápidamente al cabo de unos pocos ciclos alcanzando su
valor normal.
Es por ello
que al tratarse de corrientes de poca duración, se tengan que utilizar
protecciones que no actúen rápidamente o que integren retención del 2º armónico,
evitando la desconexión del disyuntor o interruptor automático principal. En
caso de que esto ocurra es aconsejable esperar entre 10 y 15 minutos para
volver a energizar el transformador con objeto de dar tiempo a la
desmagnetización parcial del núcleo y evitar así una corriente de mayores
proporciones que en la anterior maniobra de conexión.
Los valores de cresta de la corriente se amortiguan siguiendo la ley
exponencial:
donde:
Ie (t): valor de cresta de la corriente en función del tiempo
Ie: valor de cresta máxima, o sea, la primera cresta
El valor de cresta máximo Ie está definido con
relación a In, valor de cresta de la corriente nominal del transformador:
La asimetría
y el valor de cresta de esta corriente son máximas cuando la conexión se
efectúa en el paso por cero de la tensión y cuando la inducción remanente sobre
la misma fase es máxima. La probabilidad de que se presente la máxima corriente
de conexión (inrush) es directamente proporcional al número de maniobras de
conexión que se realicen en el transformador.
Esta gran
irrupción de corriente va acompañada de un zumbido súbito de 120 Hz, que se
origina principalmente por la magnetoestricción de las chapas del núcleo.
La forma de onda de la corriente contiene una tasa importante del 2º
armónico.
Armónicos en la conexión de transformadores
|
|||||||
Orden de armónico
|
C.C.
|
2º
|
3º
|
4º
|
5º
|
6º
|
7º
|
%
típico de amplitud respecto a la fundamental
|
55
|
63
|
26,8
|
5,1
|
4,1
|
3,7
|
2,4
|
Este es el
principio en el que se basa el frenado de armónicos de determinados relés
capaces de distinguir, por la forma de onda, entre faltas e intensidad
magnetizante.
Para ello,
estos relés introducen elementos de bloqueo constituidos por dos filtros uno en
serie y otro en paralelo, sintonizados con la componente del 2º armónico de la
corriente de conexión.
El filtro
serie presenta una impedancia elevada a los armónicos, sin embargo, permite el
paso a la onda fundamental que es rectificada para dar lugar a la tensión de
operación.
El filtro
paralelo bloquea la onda fundamental dando paso a los armónicos que después de
rectificados dan lugar a la tensión de frenado.
La
desconexión intempestiva en la conexión de un transformador debido a una
deficiente regulación de las protecciones corresponde al fenómeno de corte de
una corriente puramente inductiva y es susceptible de producir fuertes
sobretensiones que pueden averiar el transformador y los interruptores de
maniobra.
La
sobretensión producida por la interrupción de corriente en el disyuntor provoca
fenómenos transitorios que se desarrollan en las inductancias y capacidades del
circuito. La energía magnética residual en los transformadores debe restituirse
en forma electrostática:
Estas
sobretensiones son amplificadas por los
reencendidos múltiples posibles si el disyuntor es capaz de extinguir las
corrientes de alta frecuencia con un crecimiento rápido de la rigidez
dieléctrica en el espacio de apertura entre contactos (Caso de disyuntores de
vacío).
Un recurso a
veces posible de realizar para limitar la corriente de conexión de un
transformador MT/BT, consiste en conectar el transformador con el interruptor
de BT cerrado con una carga esencialmente resistiva.
Para limitar la
corriente de conexión en grandes transformadores ver en este blog el post
denominado: “Medios para reducir las
corrientes de magnetización “inrush” en Transformadores de Potencia” en el siguiente link:
http://imseingenieria.blogspot.com/2015/07/medios-para-reducir-las-corrientes-de.html
http://imseingenieria.blogspot.com/2015/07/medios-para-reducir-las-corrientes-de.html
Disponible
en pdf en la siguiente URL:
Gracias este artículo me hace entender en forma clara el fenómeno.
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