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lunes, 11 de septiembre de 2017

¿Cómo se identifican las averías por sobretensión en Transformadores?


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.



POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:




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