Impacto de las maniobras repetitivas de disyuntores sobre los transformadores

La interacción entre el transformador y disyuntor (particularmente en los disyuntores de vacío) es un fenómeno descrito en la literatura técnica en numerosos artículos, que explican las múltiples averías sobre los arrollamientos de transformadores, entre otros:

• Detailed study of fast transient phenomena in transformers and substations – K.V. Leuven Electrical Energy Division / Belgium
• Application Guide for vacuum switching equipment – TOSHIBA
• Overvoltages due to switching off an unloaded transformer with a vacuum circuit breaker – IEEE, M. Popov / E.Acha – 1998
• Tensions de commutation dans les réseaux MT: nature, caractéristiques et méthodes pour en prévenir la formation ou en limiter la portée - CIRED 1989
• A guide to describe the occurrence and mitigation of switching transients induced by transformer and breaker interaction – IEEE PC 57.142/D1.3 – USA – 2000

Todos estos artículos revelan que, en ciertas condiciones, detalladas a continuación, las tensiones transitorias en bornes del transformador son generadas por la interacción entre el transformador, el disyuntor, la carga y el sistema eléctrico. En efecto, durante las maniobras de los disyuntores, se generan ondas de tensión oscilatorias de alta frecuencia y pueden producir sobretensiones importantes en el interior de los transformadores.

Este es el resultado de la corriente guillotinada durante la fase de interrupción de la corriente (reencendidos del disyuntor).

Si la tensión transitoria producida por el sistema tiene una componente de frecuencia próxima a una de las frecuencias propias del transformador, la estructura aislante interna del transformador puede estar sometida a unos esfuerzos dieléctricos superiores a los límites de seguridad de funcionamiento del aparato, y a los niveles de ensayos definidos por las norma  IEC 60076.

Explicación del fenómeno

Para comprender mejor el fenómeno, consideremos la red eléctrica siguiente:

Durante la apertura de un disyuntor, la red está separada en dos partes: el lado "Alimentación" y el lado "Carga".

En el lado de alimentación del disyuntor, la tensión sólo contiene la componente fundamental (50 Hz / 60 Hz) en régimen estable. En bornas del disyuntor lado carga, se establece una tensión transitoria en el momento de la redistribución de la energía reactiva en la estructura magnética lado carga y conexiones capacitivas), y la carga. La amplitud y la duración de la tensión transitoria dependen de la amplitud de la corriente cortada por el disyuntor.

El paso por cero de la corriente es el caso ideal. En este caso, si la red es inductiva o capacitiva, una tensión transitoria de restablecimiento (TTR) aparece en las bornes aguas arriba del disyuntor.

La frecuencia o la amplitud de esta tensión TTR pueden tener un nivel suficientemente importante para provocar el reencendido del disyuntor durante la apertura. En las redes con neutro aislado, la TTR puede ser significativamente grande.

Pero, en general, el disyuntor corta la corriente antes de su paso por cero. Este acto de interrupción prematuro de la corriente puede causar una cantidad de energía substancial en la estructura magnética del transformador. Esta energía resultante es normalmente transferida dentro de la estructura capacitiva del transformador, los cables próximos y la red. La frecuencia de la tensión transitoria es una función de la inductancia y de la capacidad shunt del transformador y de la red adyacente.

Si la tensión aumenta demasiado rápidamente (a causa de la frecuencia y/o de la amplitud de la TTR), el disyuntor se reencendera.

Estos múltiples reencendidos en un disyuntor de vacío generan ondas repetitivas con un ancho espectro de frecuencias, excitando una de las frecuencias propias del transformador. En unas circunstancias desfavorables, los reencendidos múltiples del disyuntor pueden provocar una sobretensión.

El “riesgo” de las redes eléctricas ante este fenómeno

Las principales configuraciones de estas redes son las siguientes:

1. El disyuntor de MT al vacío está muy cerca del transformador muy débilmente cargado (< 10 % Potencia nominal) o fuertemente cargado inductiva o capacitivamente (grandes longitudes de cables o condensadores al lado del secundario).
2. Las redes con neutro aislado o puesto a tierra por fuertes impedancias pueden igualmente generar sobretensiones transitorias oscilatorias de AF en el momento de maniobras de los disyuntores (vacío).

Para ilustrar el primer caso, se han realizado varias simulaciones de redes eléctricas con el EMTP/ATP según el modelo siguiente:

Características de los elementos de la red:

• Pcc red = 60 y 300 MVA
• Disyuntor en vacío = modelo estadístico calibrado sobre ensayos
• Longitud de los cables = 30, 100 y 1000 m
• Potencia transformador = 250, 630, 1000, 1250 y 2500 kVA
• Tensión nominal = 10 y 20 kV
• Carga del transformador = 10 y 50 % de la potencia nominal

Resultados, sin filtro de atenuación:

Señales de las tensiones de MT en los bornes del transformador

Así, para la configuración "B23T16M", se observan las de formaciones siguientes de las señales de tensión, por fase y entre fases:

La solución del problema: el filtro RC

Para protegerse completamente de estas sobretensiones transitorias (con oscilaciones Alta Frecuencia) , la solución ideal consiste en colocar entre fases y tierra un filtro de amortiguación RC. Este filtro RC debe ser colocado lo más cerca de las bornas primarias del transformador.

Así el fenómeno alta frecuencia es eliminado y las tensiones en las bornas del transformador son limitadas.

Forma de las señales: influencia del filtro RC

Para la configuración del modelo "B23T16M" (30 m de cable – transformador 630 kVA – carga 10 % Pcc Red = 300 MVA):

El filtro RC, un remedio eficaz

Permutación de tensiones en bornas del transformador:

Recomendaciones adaptadas al uso:

Configuración Transformador / Disyuntor	Recomendación
• Maniobras de un disyuntor con un transformador en vacío (secundario abierto).	• Protección no necesaria (no hay sobretensiones apreciables generadas).
• Maniobras de un disyuntor con un transformador en vacío conectado a unos cables en BT de gran longitud.	• Utilizar autoválvulas
• Maniobras de un disyuntor con un transformador ligeramente cargado: □ maniobras involuntarias raras (< 2/año) □ maniobras ocasionales (< 10/año) □ maniobras frecuentes en relación con un proceso, particularmente con: →Disyuntor cerca del transformador, muy débilmente cargado (< 10% potencia nominal). → Carga fuertemente inductiva o capacitiva (gran longitud de cables o condensadores en lado secundario). → Red con neutro aislado o a tierra con impedancia.	□ Protecciones no necesarias (probabilidad reducida de sobretensión). □ Protección con autoválvulas fase/tierra □ Filtro RC

Protección recomendada

•  Frente a las sobretensiones (con oscilaciones AF) generadas en los bornes del transformador en el momento de maniobras frecuentes del disyuntor, la solución del filtro RC es la mejor desde el punto de vista de protección y debe ser recomendada.

Filtros RC instalados en una celda de un transformador seco

• Sin embargo en una configuración de red eléctrica menos severa (maniobras ocasionales de disyuntores de tecnología distinta al vacío), puede proponerse la solución de colocar autoválvulas en el primario del transformador.

Autoválvulas en el primario de trasformador

• Esta solución será menos eficaz que el filtro RC y no garantiza una protección completa. El filtro RC suprime las oscilaciones AF y así los riesgos potenciales de resonancia interna en los arrollamientos de los transformadores.

EJEMPLO:

El filtro RC de MT es un equipo trifásico constituido por 3 resistencias de 50 Ω cada una y 3 condensadores de 0,25 μF con aislamiento para 24 kV. Se instala entre fases de MT del transformador y tierra. 

Filtros RC

FUENTE:

Schneider Electric: Maniobras repetitivas de disyuntores, Impacto sobre los transformadores