Incidencias y averías en la explotación de Transformadores de Distribución

■ Sobrecargas

La sobrecarga es el motivo principal de envejecimiento prematuro del transformador.

Se produce cuando se sobrepasan las condiciones térmicas asignadas  de la máquina. Al establecerse una temperatura excesiva se provoca la degradación de los aislamientos de los conductores y el de las chapas que forman el circuito magnético. Esta situación viene motivada fundamentalmente por:

-          Niveles de carga elevados

-          Condiciones ambientales adversas: elevada temperatura, humedad y altura sobre el nivel del        mar.

-          Condiciones anómalas de explotación: continua, ocasional, etc.

El deslastrado de cargas y la mejora de la ventilación suelen ser los medios para solucionar estas incidencias en la mayoría de los casos.

Calentamiento excesivo en el núcleo magnético por sobreexcitación

(Tomas de regulación en posición inadecuada)

■ Defectos entre espiras:

Los defectos entre espiras del arrollamiento de MT son el defecto más frecuente y a la vez el más difícil de detectar en transformadores. Son motivo de una degradación local del aislamiento del conductor, por sobreesfuerzos térmicos o dieléctricos. La manifestación inmediata se reduce a un pequeño aumento de la corriente primaria, debido por una parte a la modificación de la relación de transformación y por otra a la aparición del fenómeno de espiras en cortocircuito en el arrollamiento afectado. Esta espira con defecto se comporta como un arrollamiento secundario dando origen a una corriente que sólo está limitada por su impedancia propia y por la resistencia en el punto del defecto. Según la corriente que circule por esta espira, la evolución del defecto será más o menos rápida.

En caso de corriente importante el calentamiento local provocará el deterioro de las espiras próximas y el defecto se extenderá rápidamente.

El orden de magnitud corresponde aproximadamente a 100 veces la corriente asignada, o sea, aproximadamente 1 kA para el arrollamiento primario de un transformador de 400 kVA a 20 kV. En todos los casos, la presencia de un arco local provocará un desprendimiento de gases, tanto si el transformador es seco o de inmersión. Esta aparición de gases puede provocar un importante aumento de la presión, hasta la ruptura del elemento (cuba o aislante sólido).

Si el defecto provoca una corriente primaria baja, el fenómeno puede ser lento y difícilmente detectable supervisando la corriente de alimentación. Hay ensayos de laboratorio con transformadores sumergidos que han descubierto corrientes primarias entre 1 y 6 veces la corriente asignada, acompañadas de un desprendimiento importante de gases con defectos entre espiras que implican hasta un 8% de las espiras primarias. Por este motivo la vigilancia de la emisión de gases o de la presión pueden utilizarse complementariamente con las protecciones basadas en la medida de la intensidad de corriente.

■ Sobretensiones externas:

Los transformadores de distribución están sometidos a tensiones transitorias que provienen de las redes a las que están conectados. Estas sobretensiones tienen su origen o bien en las descargas de rayo, directas o inducidas, sobre las redes MT o BT o bien en la transmisión, a través de estas mismas redes de MT de las sobretensiones de maniobra generadas en la red aguas arriba.

Cuando la aparamenta corta la tensión mediante el dispositivo correspondiente situado inmediatamente aguas arriba, el conjunto formado por el transformador, el aparato de corte y el circuito de alimentación producen sobretensiones que provocan sobreesfuerzos dieléctricos en el transformador. Estos sobreesfuerzos causan un envejecimiento prematuro o incluso pueden ocasionar, en ese mismo momento, un defecto de aislamiento entre espiras o entre éstas y masa.

Las condiciones más críticas se dan al desconectar transformadores sin carga mediante órganos de maniobra capaces de interrumpir corrientes de alta frecuencia, tales como interruptores automáticos en vacío. Por tanto, la utilización de este tipo de aparamenta para efectuar maniobras de explotación debe de hacerse con determinadas precauciones (se recomienda la utilización de autoválvulas en estos interruptores).

Los criterios de severidad de las sobretensiones que han de soportar los transformadores son ante todo y evidentemente, el valor de cresta, pero también la velocidad de variación de la tensión (frente de subida, o de descenso en caso de un cebado próximo «onda cortada») que lleva a un reparto desigual de los esfuerzos en los arrollamientos provocando el que se sobrepase la rigidez dieléctrica entre espiras aunque el valor de cresta entre los bornes del arrollamiento primario no sobrepase los valores admisibles.

Cortocircuito entre espiras en la cabeza del arrollamiento de MT

por sobretensión atmosférica (o de maniobra)

● Riesgos de exposición a las sobretensiones:

Los riesgos de exposición a las sobretensiones de un transformador dado dependen de su entorno, con condicionantes como los siguientes:

-           Alimentación MT aérea o subterránea,

-           Posible presencia de limitadores de sobretensiones (autoválvulas o explosores), su                     dimensionamiento y sus condiciones de instalación,

-          Tipo y longitud de las conexiones entre el interruptor y el transformador,

-          Tipo de aparamenta y condiciones de maniobra,

-          Calidad de las tomas de tierra y diseño de la red de masas en el centro de transformación,

-          Que la red de BT sea aérea o subterránea,

-          Puesta a tierra de la red BT y su posible conexión a la toma de tierra del centro de                        transformación.

Las definiciones normalizadas asociadas a la noción de los niveles de aislamiento no cubren completamente los sobreesfuerzos a los que pueden verse sometidos los transformadores porque ciertos fenómenos que se presentan en las redes pueden haber sido mal valorados, como los transitorios de frente muy rápido.

En la práctica, la valoración de los riesgos de las sobretensiones resulta muy generalista, porque lo que está en juego en un transformador MT/BT no justifica un estudio excesivo de la coordinación del aislamiento. Además es prudente que el diseñador de la red evite especificar características particulares que puedan requerir una fabricación especial. Por lo que se limita a escoger entre los valores de aislamiento normalizados.

■ Defectos entre arrollamientos

● Arrollamientos de MT

Los defectos entre arrollamientos de MT son poco frecuentes pero pueden dar lugar a corrientes de defecto elevadas, hasta corrientes de cortocircuito de red en casos de defectos junto a los bornes, con manifestaciones muy importantes.

Ciertas localizaciones particulares, como defectos entre arrollamientos próximos a las conexiones de punto neutro de un acoplamiento en estrella, se parecen a un defecto entre espiras porque los puntos que entran en contacto no tienen tensiones muy diferentes.

Defecto entre arrollamientos de MT

● Arrollamientos de BT

Los defectos entre arrollamientos de BT son excepcionales porque estos arrollamientos están situados más cerca del núcleo magnético y están rodeados por los arrollamientos de MT. En el caso de varios arrollamientos de BT colocados en la misma columna del circuito magnético (acoplamiento zigzag, por ejemplo) hay posibilidad de defecto. En todos los casos, la corriente de defecto resulta inferior a la de un cortocircuito en bornes secundarios, pero la evolución del incidente puede ser rápida debido a la presencia de un arco de intensidad significativa.

Cortocircuito en arrollamiento de BT

● Entre arrollamientos de MT y BT

Un defecto entre arrollamientos puede también hacer que se produzca un contacto entre primario y secundario, con la aparición de un potencial peligroso en la red de BT. El riesgo para los equipos y personas depende de los regímenes de neutro (o esquemas de conexión a tierra) de las dos redes. En ciertas aplicaciones, para privilegiar la seguridad del arrollamiento de menor tensión, la utilización de una pantalla electrostática conectada a masa, colocada entre los arrollamientos primario y secundario, permite suprimir esta hipótesis de defecto favoreciendo por el contrario los defectos fase-masa. En este caso, las tomas de tierra de la masa y del neutro de BT son diferentes, lo que evita la subida de tensión de la red de BT respecto a tierra.

■ Defectos entre arrollamientos y masa

Los defectos de aislamiento entre arrollamientos y masa debido al deterioro de los aislantes provoca la circulación de corriente hacia tierra siempre que el sistema de distribución sea de tipo neutro rígido a tierra o impedante. En los sistemas de distribución con neutro aislado la circulación de corriente está restringida a las capacidades parásitas existentes.

Descarga entre fase y tramo del soporte del regulador de tomas

■ Cortocircuitos en BT

En caso de defecto aguas abajo del transformador, la impedancia de los circuitos BT pasa a tener rápidamente una importancia preponderante en el cálculo de las corrientes de cortocircuito y únicamente los defectos localizados en la zona inmediata del transformador representan una sobrecarga significativa para él. Estos defectos son resueltos o por la protección BT afectada (fusibles o interruptor automático) o por la protección MT aguas arriba del transformador en el caso de que el defecto se produzca por encima de la protección lado BT.

Recordemos que un transformador con una tensión de cortocircuito del 5% tiene una intensidad de cortocircuito de 20 In, con una fuente de potencia infinita y un cortocircuito BT de impedancia nula. La hipótesis de fuente de potencia infinita suele ser realista en distribución pública, donde la potencia unitaria de los transformadores de distribución es baja respecto a la potencia de cortocircuito de la red MT. Este no es el caso normal de la industria y el gran sector terciario, donde pasar por alto la impedancia de la fuente obligaría a sobredimensionar inútilmente el diseño de la parte de BT y de las protecciones asociadas.

Para el transformador, el defecto en BT próximo a los bornes se traduce en sobrecargas térmicas, que dependen del valor y de la duración del defecto, y en sobrecargas mecánicas, por los efectos electrodinámicos especialmente en el momento de producirse el defecto. Los transformadores están normalmente diseñados para poder soportar el cortocircuito en bornes (fuente infinita y cortocircuito franco) lo que corresponde a la peor situación de todas las previsibles en explotación. Sin embargo, la repetición de estos fallos puede tener efectos acumulativos, desplazando los bobinados, por ejemplo, y favoreciendo un envejecimiento prematuro. En todos los casos, la duración del defecto debe de quedar limitada por una protección, so pena de provocar la destrucción del transformador por efectos térmicos y electrodinámicos.

Artículo disponible en pdf en la siguiente URL:

http://www.mediafire.com/view/h3st93nbbgwlf6k/Incidencias_y_aver%C3%ADas_en_la_explotaci%C3%B3n_de_Transformadores_de_Distribuci%C3%B3n.pdf