PROTECCION DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Protección de transformadores de potencia

Fallas en la parte interior ( devanados y conexiones)
Las fallas eléctricas en los devanados que pueden causar daño en forma inmediata se clasifican en la forma siguiente:
1) Fallas entre las espiras adyacentes de un mismo devanado ( elevado voltaje y bajo voltaje ) o también fallas de fase en la parte exterior o en los devanados mismo, o corto circuito entre espiras de alto voltaje y bajo voltaje.
2) Fallas a tierra a través de todo el devanado, fallas a tierra en los terminales externos de alto o bajo voltaje.
Estas fallas se detectan por un desbalance en las corrientes o en los voltajes y su inicio tiene orígenes diversos, por ej. una falla entre espiras se puede originar con un punto de contacto resultante de las fuerzas mecánicas o del deterioro del aislamiento debido a sobrecarga excesivas, ruptura dieléctrica del aislamiento del transformador debido a algún impulso de tensión.
Las fallas a tierra a través de las porciones de los devanados pueden originar valores considerables de corrientes de falla a tierra y por consiguiente producir grandes cantidades de gas debido a la descomposición del aceite, por lo que no es difícil detectar estas fallas; sin embargo se requiere eliminarlas rápidamente con el objeto de evitar daños.
3) SOBRE CARGAS Y CORTO CIRCUITOS EXTERNOS.-

Los transformadores se pueden encontrar sometidos a sobrecargas durante largos períodos de tiempo estando éstas limitadas por el límite de la elevación de temperatura de los devanados y el medio refrigerante que se use. Las sobrecargas excesivas en los transformadores produce deterioro en los aislamientos y fallas subsecuentes por lo que se ha indicado con anterioridad es necesario tener indicadores de temperatura con alarma de tal forma que indiquen oportunamente cuando los límites permisibles de temperatura se están excediendo.
Los corto circuitos externos en los transformadores solo se encuentran limitados por la impedancia del transformador; de manera que si el valor de la impedancia es pequeño, la corriente de cto. cto. puede resultar excesiva y producir al transformador por esfuerzo mecánicos debido a los esfuerzos magnéticos que originan desplazamientos en las bobinas o fallas en las conexiones.

4) PROTECCION POR RELE BUCHHOLZ.-

El relé Buchholz se emplea en los transformadores de potencia que emplean aceite como medio refrigerante y tiene tanque conservador ( depósito de expansión ), permite detectar las fallas en el interior del transformador por lo que la protección del transformador se puede complementar con otros elementos que detecten también fallas externas al mismo.
El principio de operación del relé buchholz se basa en el hecho de que cualquier falla que se origina en el interior de un transformador de potencia está precedida por otros fenómenos a veces no perceptibles pero que a medida que transcurre el tiempo pueden provocar fallas más graves que eventualmente producen daños severos al transformador, por lo que resulta importante detectar las fallas incipientes y enviar señales de alarma acústica o bien óptica sin que necesariamente se envíe una señal de disparo al interruptor que deje fuera de servicio al transformador. Las fallas más importantes que pueden ser detectadas por un relé buchholz son las siguientes:
a) Cuando alguna conexión interna en cualquier parte de los devanados del transformador se llega a producir la discontinuidad eléctrica momentánea produce un arco eléctrico que pude alargarse si se produce la fusión de los conductores y transmitirse a otras partes de los devanados pudiéndose provocar un corto circuito severo que cause daños graves al transformador. El arco eléctrico inicial en presencia del aceite refrigerante del transformador produce gases que se manifiestan como humo y hacen operar al relé.
b) Cuando se produce una sobrecarga brusca o corto circuito, se manifiesta esto como un fuerte aumento en la temperatura de las capas interiores de los devanados hacia el exterior de manera tal que el aceite refrigerante que se encuentra en contacto con las bobinas se volatiza y se descompone, los gases producto de esta descomposición circulan hacia el exterior de los devanados produciendo burbujas que rechazan la correspondiente cantidad de aceite traduciéndose esto como una fuerte circulación que normalmente es detectada por el relé Buchholz.
c) Las fallas del aislamiento a tierra se traduce en un corto circuito de fase a tierra con presencia de un arco eléctrico que volatiza y descompone el aceite siguiendo el mecanismo de circulación de aceite por las burbujas de gas en el interior del transformador y que y que debe ser detectada por el relé buchholz
Estas fallas del aislamiento de los devanados a tierra frecuentemente son producidos por sobretensiones atmosférica o por maniobras de interruptores en ciertas condiciones de operación del transformador o la red, por lo que la protección contra este tipo de sobretensiones es un aspecto que debe ser considerado como importancia en la parte de los diseños de instalaciones relacionadas con protección del equipo eléctrico contra sobretensiones.
d) La descomposición química del aceite se puede presentar por diferentes circunstancia que van desde mala calidad del mismo hasta sobrecargas continuas , el proceso de descomposición trae como consecuencia la producción de gases por las descargas que en principio puede ser flujos de electrones, pero que posteriormente se pueden traducir en arcos eléctricos que a su vez producen una mayor cantidad de gases que debe ser detectado con el proceso descrito en anterioridad por el relé buchholz.

e) PROTECCIÓN DE IMAGEN TERMICA.-
Las corrientes de sobre cargas o de corto circuito en las instalaciones como se sabe producen efectos térmicos y dinámicos, el principio de operación de la protección por imagen térmica está basado en el efecto térmico de las sobrecorrientes y las característica de operación de las protecciones por imagen térmica es aproximadamente similar a aquellas de algunas protecciones de tiempo dependiente y su principio es más fino en cierto modo que el empleado para la operación de fusibles.
La corriente que recibe o entrega una máquina o bien que circula por una línea de transmisión por lo general requiere de algún medio de protección contra el efecto térmico que produce, en los modelos de protección elementales de tipo electromecánico, el principio de protección se basa en la deformación de una lámina bimetálica y el subsecuente cierre de un contacto es decir, que una sobrecarga o corriente de corto circuito se detecta por el relé como una acumulación de calor por el efecto Joule.
La acción de intervenir se presenta solo cuando la cantidad de calor acumulada supera por frecuencia y duración una determinada temperatura del bimetal. Esta tipo de protección cuando no toma en consideración las condiciones ambientales y climatológicas pueden provocar intervenciones innecesarias, por otra parte un ajuste en la protección demasiada elevada para evitar estos disparos o accionamientos innecesarios de la protección, puede producir en condiciones ambientales desfavorables daños graves por calentamiento excesivos. Es decir que la intervención del relé de imagen térmica aunque es aparentemente simple, debe cumplir con ciertos requerimientos operacionales como son
I) Adecuar la capacidad térmica del relé a aquella de la máquina de modo que se obtenga una curva tiempo-corriente que tenga la misma forma.
II) Introducir dispositivos de compensación adaptadas para corregir las variaciones bruscas de temperaturas en los casos de instalaciones de las máquinas eléctricas y los relés en ambientes distintos, como por ejemplo en el interior y exterior de una planta generadora.
III) Corregir la relación de transformación de los transformadores de corriente que circula por ellos esté en fase y de acuerdo a la circula por la máquina. Una situación que se puede presentar complicada en el caso de la protección de imagen térmica, es el de la máquinas que se encuentran instaladas en ambientes cambiantes, que por lo general representa el caso más frecuente, como es el caso de las máquinas (especialmente transformadores de potencia ) que se encuentran a la intemperie y por lo tanto expuesta a todos los cambios climatológicos y que es distinta a una instalación al interior y que inclusive puede estar climatizada. En las temporadas
Calurosas como por ejemplo en verano las máquinas se encuentran bajo la acción de los rayos solares y se puede tener un incremento de temperatura respecto a las de régimen normal de 40 ó 50 , mientras que los relés que no se encuentran expuestos al sol o al ambiente externo no resienten cambios de más de 10 ó 15 por dar un orden de magnitud. Esto significa que la protección de imagen térmica debe estar preferentemente compensada para considerar diferentes casos y evitar errores en lo posible.
LA PROTECCION DE IMAGEN TERMICA EN SU CONCEPTO MAS ELEMENTAL ESTA CONSTITUIDA DE LAS SIGUIENTES PARTES FUNCIONALES.
Una resistencia R derivada directamente de un transformador de corriente conectado a la máquina por proteger.
Un sistema T transmisor del calor producido por efecto Joule del devanado R.
Una lámina metálica l que se dilata según la temperatura producida por el sistema de recalentamiento.
La resistencia R tiene la función de transmitir el calor producido por la corriente secundaria del transformador de corriente T.C. de la máquina y debe tener una constante térmica tan próxima a la de la máquina como sea posible, debido a las pequeñas dimensiones de la resistencia es conveniente introducir una masa metálica T que permite acumular el calor por un tiempo relativamente largo y al mismo tiempo transmitirlo a la lámina l. El sistema H está constituido por una cámara termostática de manera que limite hasta donde sea posible los cambios de temperatura con el exterior.
Cuando la resistencia y la masa T se recalienta por efecto de la corriente de régimen, la protección tiende a alcanzar valores sucesivos de etapa de equilibrio térmico con tiempos de intervención que son función de:
1) L a temperatura ambiente
2) La sobre corriente
3) La duración de la sobre corriente
4) De las características constructiva del dispositivo de protección