Post
dedicado a mi amigo José Luis Gordo
Fenómenos transitorios en las redes eléctricas
En
posts anteriores (véanse posts relacionados al final de este), se han descrito
las averías que pueden presentarse en transformadores debidas a sobretensiones
de tipo atmosférico (directas o indirectas),
debidas también a maniobras repetitivas o incluso a las averías por
sobretensión que los transformadores pueden experimentar a causa de las oscilaciones
de alta frecuencia (> 10 kHz) motivadas por la electrónica de potencia tan
presente en todos los sectores
económicos: industrial, comercial, energético, etc. Incluyendo el doméstico.
Por
ejemplo, en las últimas décadas se han observado casos de perforación de los
arrollamientos de media tensión en transformadores que alimentan rectificadores
(convertidores con diodos o tiristores), comprobándose que la deformación de la
tensión de alimentación es el origen de estos problemas.
En
este post nos referimos a la forma de identificar las marcas tan
características que este tipo de averías dejan en los devanados de los
transformadores y al desconcierto que representan en el usuario cuando observa
que las protecciones por sobreintensidad no responden a estos incidentes. Suelen ser tan extrañas estas averías que, en la
mayoría de los casos, se producen en los periodos de menor carga, cuando no se
realizan maniobras en la instalación o cuando la meteorología está totalmente en
calma.
Efectivamente,
en el momento en que se origina la sobretensión, si no avería instantáneamente
el transformador, se produce en él un debilitamiento del aislamiento que va degradándolo
paulatinamente hasta que días, semanas incluso meses después, en el momento más
insospechado se desencadena la avería, con la sorpresa del usuario que no puede
comprender lo sucedido, ¿Por qué las protecciones no han actuado a tiempo?... Las
protecciones de sobreintensidad no pueden actuar contra las sobretensiones y solo
lo hacen cuando la avería del transformador ya es un hecho, es decir, no actúan
en estos casos, sobre la causa sino sobre el efecto.
Recordemos
que las sobretensiones pueden ser perjudiciales, no solamente por su amplitud o
valor de cresta sino también por la extraordinaria velocidad de variación de la
tensión (dV/dt), cuando el impacto de este voltaje en forma de onda de frente
brusco incide en los terminales del transformador, la diferencia de potencial a
que se ven sometidos los devanados, no solamente es excesiva, sino que tampoco
se distribuye uniformemente a lo largo del arrollamiento (figura 1). Cada
espira recibe un cierto incremento de carga eléctrica antes de elevar su propio
potencial, mediante el cual puede transmitirla a la espira siguiente, y esta,
tras el mismo proceso, a la siguiente y así hasta el extremo opuesto del
devanado. La propagación de la carga no es instantánea, contribuyendo a
retrasarla la autoinducción de las espiras y a acelerarla la capacidad entre
ellas, ya que estas funcionan como condensadores, formados por cada dos
elementos a distinto potencial, separados por el aislante del conductor, los
condensadores así formador se presentan en derivación sobre la inductancia de
las espiras facilitando así el desplazamiento de las cargas eléctricas.
Figura 1
De todos
modos, el retraso en la propagación de la onda de potencial es inevitable en el
arrollamiento, y como consecuencia se acumula este en las espiras de entrada,
dando lugar a una diferencia de potencial entre espiras que excede (centenares
incluso millares de veces) a la normal; el aislamiento entre ellas, cuya
rigidez dieléctrica es incomparablemente superior a la tensión de servicio por
espira, resulta insuficiente bajo el efecto de estos impactos de voltaje y se
perfora saltando la chispa generalmente entre las primeras espiras de entrada
del arrollamiento de media tensión por presentar un mayor número de espiras que
el de baja tensión y por tanto una mayor diferencia de potencial entre las
espiras de entrada, ésta limpia perforación dieléctrica es la manera o marca
distintiva para reconocer este tipo de averías por sobretensión en los
arrollamientos de los transformadores (figuras 2 a y 2 b).
Figura 2 a: Avería por sobretensión en bobina de MT de un
transformador seco
Figura 2 b: Avería por sobretensión en bobina de MT de un
transformador en baño de aceite
Los
onduladores, rectificadores, cicloconvertidores y cargas no lineales que
alimentan los transformadores, producen, de forma repetitiva, escarpadas y
rápidas variaciones de tensión de fase respecto a tierra (dV/dt = 1050 V/µs) llegando
a alterar el aislamiento de tal forma que con el tiempo, causará una
perforación del aislante y por ello, un contacto entre espiras que dejará fuera
de servicio el transformador (figura 3).
Figura 3
Este
tipo de sobretensiones se transfieren (multiplicando su amplitud por la
relación de transformación) en el transformador desde la BT a la MT, como se
observa en la figura 4, que representa
la tensión vista en el secundario de un transformador 20/0.4 kV.
Figura 4: Transferencia de la sobretensión al devanado de
media tensión
Para
evitar estas transferencias de tensiones de la BT a la MT y viceversa, se
podrán disponer entre los devanados de baja tensión y media tensión pantallas
electrostáticas con puesta a tierra que permitirán hacer la función de filtro y
limitaran los gradientes de potencial (dV/dt).
Después
de numerosos estudios, se ha observado la necesidad de proteger los
transformadores, contra las oscilaciones de alta frecuencia (> 10 kHz), debidos a la presencia de
convertidores estáticos con filtros pasivos, susceptibles de eliminar estas
oscilaciones y mantener las amplitudes
en valores aceptables.
Según
las aplicaciones, es posible, conociendo los parámetros de la instalación,
proponer un filtro adaptado para proteger el transformador, como por ejemplo un
filtro RC en el lado de BT.
Ejemplo:
Si la potencia instalada de onduladores es igual o superior al 30% de la
potencia del transformador, es muy recomendable instalar un filtro RC en el
lado de BT.
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http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/09/sobretensiones-de-maniobra.html
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de las Pantallas Electrostáticas en Transformadores
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