1.- Defectos
en las instalaciones de MT/BT
Los transformadores de distribución son elementos
particularmente importantes en las redes eléctricas.
Es necesario protegerlos eficazmente contra los
defectos susceptibles de dañarlos ya sean de origen interno o externo.
Los principales defectos que pueden afectar a un
transformador de distribución son:
- sobrecargas,
- cortocircuitos (internos o externos),
- defectos a tierra
- sobreflujo
1.1.-
Sobrecargas
Las sobrecargas pueden ser debidas al aumento del
número de cargas alimentadas simultáneamente o al aumento de la potencia absorbida
por una o varias cargas. Se traduce por una sobre intensidad de larga duración
que provoca una elevación de la temperatura perjudicial para la estabilidad de
los aislantes y la longevidad del transformador.
1.2.-
Cortocircuitos
El cortocircuito puede ser de origen interno al
transformador o externo.
- El cortocircuito interno se trata de un defecto entre conductores de fases diferentes o de un defecto entre espiras de un mismo arrollamiento. El arco de defecto degrada el arrollamiento del transformador y puede conducir a su destrucción. Un cortocircuito violento provoca daños muy importantes que pueden destruir los arrollamientos.
- El cortocircuito externo se trata de un defecto entre fases en las conexiones externas al transformador.
Esta
corriente de cortocircuito provoca en el transformador esfuerzos electrodinámicos y solicitaciones
térmicas susceptibles de afectar a los arrollamientos y de evolucionar después en forma de defecto interno.
1.3.- Defectos
a tierra
Los defectos a la tierra pueden producirse entre
partes bajo tensión y masas cercanas (la envolvente, trenzas de masa de los
cables MT, etc…) o entre arrollamiento y núcleo magnético. Como todo cortocircuito,
puede causar la destrucción del transformador.
La amplitud de la corriente de defecto depende
del régimen de neutro de las redes aguas arriba y abajo. En caso de defecto
entre un arrollamiento y masa, su amplitud depende también de su posición dentro
del arrollamiento:
- En un acoplamiento en estrella, la corriente a tierra varía entre 0 y el valor máximo según que el defecto se produzca en la extremidad del neutro o en las fases del arrollamiento.
- En un acoplamiento en triángulo, la corriente a tierra varía entre el 50 % y 100 % del valor máximo según que el defecto se produzca en el centro o en una extremidad del arrollamiento.
1.4.- Sobreflujo
El sobreflujo corresponde a la explotación del
transformador a una tensión anormalmente elevada que genera pérdidas excesivas
en el hierro causando calentamientos importantes y armónicos que presuponen
riegos de resonancia.
2.- El
funcionamiento de los transformadores
2.1.- La
puesta en tensión de transformadores
La puesta en tensión de los transformadores provoca
una sobre intensidad transitoria de conexión pudiendo alcanzar hasta 13 veces
la corriente nominal con constantes de tiempo entre 0,1 a 0,7 segundos.
Sobreintensidad debida a la puesta en tensión del transformador
Este fenómeno es debido a la magnetización del
circuito magnético que provoca la aparición de una corriente magnetizante
importante.
La asimetría y el valor de cresta de la corriente
son máximas cuando la conexión coincide con el paso por cero de la tensión y
cuando la inducción remanente en la misma fase es máxima.
La forma de onda de la corriente es rica en
armónicos de rango 2.
Este fenómeno corresponde a una maniobra normal
de explotación de la red; por tanto no debe ser interpretado como un defecto
por las protecciones que deberán dejar pasar sin disparar este régimen
transitorio.
El valor de cresta de la corriente se amortigua
según la siguiente ley exponencial:
Donde:
: valor de cresta de la corriente en función del tiempo,
: valor de cresta
máxima, es decir la primera cresta
τe : constante de tiempo de
amortiguamiento
El valor de cresta máxima
es definida con relación a În, valor de cresta de la corriente
nominal del transformador:
A título de ejemplo, se adjuntan tablas con las corrientes de
conexión lado alta tensión de los transformadores MT/BT secos y en baño de
aceite.
Relación
Ie/In y constante de tiempo
en segundos para transformadores secos MT/BT
Relación
Ie/In y constante de tiempo
en segundos para transformadores
en baño de aceite MT/BT
Estos valores están definidos para la puesta en tensión por
el arrollamiento de alta tensión (arrollamiento exterior). Los valores son muy superiores
si conectamos el transformador por el arrollamiento interior (caso de transformadores
elevadores).
2.2.- Consecuencias de
una desconexión intempestiva en la puesta en tensión del transformador
La desconexión intempestiva en la puesta en tensión del transformador
debido a una mala regulación de las protecciones corresponde al fenómeno del
corte de una corriente puramente
inductiva susceptible de causar fuertes sobretensiones que
pueden averiar el transformador.
La sobretensión producida en el momento del arranque de la corriente
por el disyuntor procede de los fenómenos transitorios que se desarrollan en
las inductancias y las capacidades del circuito. La energía magnética residual
en el transformador debe liberarse en forma electroestática, es decir una
sobretensión. Por la ley de conservación de la energía
, podemos estimar la sobretensión
ΔV que aparecerá en los bornes de la carga (cable y transformador).
La sobretensión producida es amplificada por los reencendidos
múltiples posibles si el disyuntor es capaz de apagar las corrientes de alta
frecuencia con un crecimiento rápido de la rigidez eléctrica en el espacio de
corte.
La sobretensión producida es amplificada por los reencendidos
múltiples posibles si el disyuntor es capaz de apagar las corrientes de alta
frecuencia con un crecimiento rápido de la rigidez eléctrica en el espacio de
corte.
El caso más desfavorable desde el punto de vista de una sobretensión
es la desconexión durante la puesta en tensión de un transformador en vacío y
sobre una red con una longitud reducida de cable (< 100 m) entre el
disyuntor y el transformador.
Las sobretensiones de alta frecuencia obtenidas en tal caso
pueden sobrepasar la resistencia dieléctrica del transformador.
2.3.- El sobreflujo
Una explotación del transformador a tensión demasiada elevada
(por mal ajuste del regulador de tomas o por elevación de la tensión en franjas
horarias de baja carga, por ejemplo) o a frecuencia demasiada baja provoca una
corriente magnetizante excesiva y causa una deformación de corriente rica en
armónicos de rango 5º.
3.- Dispositivos de
protección
La elección de una protección depende frecuentemente de consideraciones
técnico-económicas dependientes de la potencia del transformador.
3.1.- Protección contra
sobrecargas
La sobreintensidad de larga duración es detectada de manera
general por una protección de máxima corriente temporizada a tiempo independiente
o a tiempo inverso, selectiva con las protecciones segundarias.
Para los transformadores de tipo seco es la temperatura de
los arrollamientos la que se vigila para asegurar la protección contra las sobrecargas.
Protección contra sobrecargas en transformadores
secos
3.2.- Protección contra
los cortocircuitos
Pueden ser utilizadas:
- Una protección de máxima corriente instantánea asociada al disyuntor situado en el primario del transformador. Está asegura la protección contra cortocircuitos violentos. El umbral de corriente deberá estar regulado a un valor superior al de la corriente debida a un corto-circuito en el secundario la selectividad amperimétrica estaría así asegurada.
Protección contra cortocircuitos
- Una protección diferencial del transformador que asegure una protección rápida contra los defectos entre fases. Está protección es muy sensible y se utiliza en transformadores de gran potencia.
Para
evitar el disparo intempestivo, se procede a la medida del 2º armónico de la corriente
diferencial que detecta la conexión del aparato (frenado 2º armónico), así como a la medida del 5º armónico que detecta el sobreflujo (frenado 5º armónico).
3.3.- Protección contra
defectos a tierra
Pueden ser utilizadas:
- Una protección de máxima corriente de tierra situada en la red aguas arriba para el defecto a tierra afectando al primario del transformador,
- Una protección de máxima corriente de tierra situada en la llegada del cuadro general, si la puesta a tierra del neutro de la red de BT está realizada sobre el juego de barras.
Y también:
- Una protección de tierra restringida si la puesta a la tierra del neutro de la red de BT se hace al nivel del transformador. Se trata de una protección diferencial que detecta la diferencia de las corrientes residuales medidas sobre la puesta a tierra del neutro de una parte y sobre la salida trifásica del transformador por otra parte.
- Una protección de máxima corriente de punto neutro si la puesta a tierra del neutro de la red de BT se hace al nivel del transformador.
- Una protección de masa del transformadoresta protección de máxima corriente instantánea instalada en la conexión de puesta a tierra de la masa del transformador (si su reglaje es compatible con el régimen del neutro) constituye una solución simple y eficaz contra los defectos internos entre un arrollamiento y la masa; necesita aislar el transformador con relación a tierra.
Esta
protección es selectiva, sólo es sensible a los defectos de la masa del transformador y si los valores de
regulación son elevados.
Protección contra defectos a tierra
4.- Regulación de las
protecciones
4.1.- Contra
cortocircuitos:
1º Calcularemos la corriente de corto circuito trifásico máxima
para dimensionar el material disyuntores, cables, captadores, juegos de barras
a fin de asegurarse de su comportamiento térmico y electrodinámico.
Para este calculo se utiliza la potencia de cortocircuito
máxima suministrada por el distributor de energía y la impedancia mínima de las
conexiones calculadas desde el punto de entrega.
Icc corriente de cortocircuito trifásica máxima
2º Calculamos la corriente de defecto bifásico mínima. Las protecciones
deben ser reguladas para desconectar con la mínima corriente de defecto. Esta
corriente de defecto mínima depende de la configuración de la red. Es uno de
los resultados del estudio contemplados en el plan de protección.
Utilizaremos la potencia de cortocircuito mínima y la
impedancia máxima recorrida por esta corriente.
Zd es la impedancia directa máxima de la red
Ajustaremos las protecciones de máxima a 0,8 x Iccbmin
4.1.1- Ejemplo
protección a tiempo independiente con doble umbral
La protección con doble umbral permite proteger el
transformador contra un cortocircuito en sus bornes aguas arriba o abajo, sin
riesgo de disparo intempestivo en el momento de la puesta en tensión del transformador.
Además, actúa como apoyo de la protección BT.
4.1.1.1- Umbral alto
Protege contra cortocircuitos en el lado de MT.
La selectividad con el disyuntor de BT es de tipo
amperimétrico. El umbral alto debe ser ajustado de modo que la corriente de cortocircuito
mínima de MT provoque el disparo del disyuntor. Estas dos condiciones imponen
al umbral alto respetar la relación siguiente:
1,25 · IccmaxBT < umbral alto < 0,8
IccbminMT
La temporización puede ser muy corta, por ejemplo, t = 0,1 segundos.
Se debe verificar que la
protección no esté activada en el momento de la puesta en tensión del
transformador.
4.1.1.2.- Umbral bajo
Protege contra cortocircuitos del lado de BT en los bornes
del transformador o en el disyuntor BT, e interviene en apoyo del disyuntor BT.
La selectividad con el disyuntor BT es de tipo cronométrico.
El umbral bajo debe ser inferior al valor mínimo de la corriente vista por la protección
de MT en el momento de un cortocircuito en BT, sea Iccbmin,BT,MT.
Estas dos condiciones imponen un umbral bajo que respete las relaciones
siguientes:
1,25 · IrBT < Umbral bajo < 0,8 Iccbmin,BT,MT
tb ≥ tBT + Δt
Es necesario verificar
que la protección no esté activada en el momento de la puesta en tensión del
transformador.
Tipo de protección para transformador MT/BT de baja
potencia
Tipo de protección para transformador MT/MT o MT/BT
de mediana potencia
4.2.- Contra defectos a
tierra:
El modo de puesta a tierra del neutro permite limitar o no,
la corriente de defecto a tierra en caso de defecto de aislamiento.
Del régimen de neutro dependen la elección y la regulación de
las protecciones fase / tierra.
Muchas veces existe una separación entre MT y BT de los transformadores
desde el punto de vista de los regímenes de neutro (aislamiento galvánico). En
la mayoría de ocasiones suelen ser
diferentes.
La protección aguas arriba no protege generalmente contra los
defectos en BT (depende del acoplamiento del transformador y del modo de puesta
a la tierra).
Aguas arriba del transformador, se suele utilizar una
protección de tierra en la línea de alimentación. Esta protege la red y los arrollamientos
primarios y puede ser realizada con un transformador toroidal homopolar
(recomendada por ser más sensible y menos propicia a disparos intempestivos) por
suma de las tres corrientes fase.
Nota:
Si utilizamos la suma de los 3TC para medir la corriente de defecto
a tierra, utilizaremos el frenado al 2º armónico para el primer umbral con
temporización corta y un segundo nivel con una temporización más larga sin frenado
con el fin de evitar los eventuales disparos intempestivos debidos a la saturación
de los transformadores de intensidad por la puesta en tensión del transformador.
Aguas abajo del transformador, el numero y el emplazamiento
de las protecciones de tierra dependen de la situación y tipo de puesta a tierra
del neutro así como del numero de transformadores en paralelo.
Si hay un solo transformador triangulo / estrella con puesta
a tierra en el secundario, es necesaria una protección de tierra en dicho secundario
para proteger los equipos situados en la red de BT (juego de barras, salidas).
Es necesaria igualmente una protección en la puesta a tierra
con el fin de proteger la parte de la red situada aguas arriba de esta llegada (arrollamientos
secundarios del transformador, enlaces hacia el disyuntor, impedancia y enlaces
de puesta a tierra).
Esta última protección puede realizarse:
- Por una protección situada en la conexión de puesta a la tierra,
- Por una protección de máxima tensión residual
- Por una protección diferencial de tierra.
Si la puesta a tierra del neutro está situada a nivel del
juego de barras, una sola protección será suficiente en la llegada, siendo considerada
como una salida de un generador homopolar.
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