3 malas condiciones que causan una corriente diferencial falsa en el transformador de potencia

Transcripción

1 Subestación de potencia / Protección / Transformadores 3 malas condiciones que causan una corriente diferencial falsa en el transformador de potencia Protección diferencial del transformador Al aplicar la protección diferencial del transformador de potencia, se deben considerar tres condiciones malas que pueden desequilibrar las corrientes aplicadas al relé (en comparación con las corrientes esperadas cuando el flujo de potencia en el transformador es igual al flujo de potencia del transformador). 1/14

2 3 Condiciones que causan corriente diferencial falsa en Power Transformer (crédito de la foto: Geoff Collins) Hablemos de las siguientes condiciones: 1. Corriente de irrupción magnetizante 2. Sobreexcitación, y 3. Saturación del transformador de corriente 1. Intensidad de Magnetización 2/14

3 Cuando el voltaje del sistema se aplica a un transformador en un momento en que el flujo normal en estado estable debe tener un valor diferente del existente en el transformador, se produce un transitorio de corriente, conocido como corriente de entrada de magnetización. Este fenómeno se ilustra en la Figura 1 para un transformador sin flujo residual. En la figura, el transformador se energiza cuando el voltaje del sistema es cero. Con el circuito altamente reactivo involucrado, el flujo Φ debe estar en el máximo negativo o muy cerca, pero el transformador no tiene flujo. Por lo tanto, el flujo debe comenzar en cero y alcanzar un valor de 2Φ en el primer período de ciclo. Para proporcionar este flujo, la excursión requiere una gran corriente de excitación, como se muestra. Los transformadores funcionan normalmente cerca de la saturación para obtener la mejor eficiencia, por lo que los valores de flujo mayores que lo normal Φ dan como resultado una saturación severa y una gran corriente de excitación. 3/14

4 Figura 1 - Fenómeno de la corriente de entrada de magnetización (no hay flujo residual inicialmente en el transformador) Si un transformador se ha energizado previamente, existe una gran posibilidad de que al desenergizarse se deje algo de flujo Φ en el hierro. Esto podría ser positivo o negativo. Si en la Figura 1, hubiera existido un flujo residual de + Φ R R a partir de una activación anterior, el máximo de flujo requerido habría sido de 2Φ + Φ, lo que da como resultado una R corriente de irrupción magnetizante máxima más alta. Si Φ hubiera sido negativo, el flujo máximo requerido sería 2Φ - R Φ R con menos corriente de entrada. 4/14

5 Este es un fenómeno aleatorio. Si el transformador se había energizado en o cerca del voltaje positivo máximo (vea el punto d en la Figura 1), el requisito de flujo en ese momento es cero. Por lo tanto, la corriente de excitación normal fluiría con una irrupción insignificante o sin transitorios. Las corrientes de excitación normales para los transformadores de potencia son del orden del 2% -5% de la corriente a plena carga. La corriente máxima de magnetización inicial puede ser tan alta como 8-30 veces la corriente de carga completa. La resistencia en el circuito de alimentación y el transformador y las pérdidas parásitas en el transformador reducen los pico de la corriente de entrada de manera que, eventualmente, se desintegra al valor de corriente de excitación normal. La constante de tiempo varía de alrededor de 10 ciclos a tan largo como 1 minuto en circuitos de muy alta inducción. Los factores que intervienen en la irrupción, además del punto de tiempo de activación con relación a los requisitos de flujo, son: Tamaño del transformador, Tamaño y naturaleza de la fuente del sistema de potencia, Tipo de hierro en el transformador, historial anterior y Relación L / R del transformador y el sistema. 5/14

6 En un circuito trifásico, siempre se producirá una irrupción en una o dos y generalmente en las tres fases, con los voltaje separados a 120, aunque puede ser o no máximo o cero en una de las fases. La Figura 2 muestra una traza de corriente de irrupción de magnetización típica cuando un banco de transformador recibe energía de los terminales conectados en estrella o triángulo. Figura 2 - Corriente de entrada de magnetización típica a los transformadores: (a) corriente de fase A a bobinados conectados en estrella; (b) Corriente de fase A a bobinados conectados en delta. 6/14

7 Hace algunos años, los estudios indicaron que el componente del segundo armónico de la onda de entrada era el 15% o más de la corriente fundamental. En los últimos años, las mejoras en el núcleo del acero y el diseño están dando como resultado transformadores para los cuales todos los armónicos de corriente de entrada son menores, con posibilidades de que el segundo armónico sea tan bajo como 7%. La irrupción magnetizante puede ocurrir bajo tres condiciones y se describen como: a. Inicial, b. Recuperar, y c. Simpático a. La irrupción de magnetización inicial 1. La entrada de magnetización inicial puede ocurrir cuando se energiza el transformador después de un período previo de desenergización. Esto fue descrito anteriormente y tiene el potencial de producir el valor máximo. segundo. Invasión de recuperación Durante una falla o una caída momentánea en el voltaje, puede producirse una avalancha cuando la tensión vuelve a la normalidad. Esto se llama recuperación de la recuperación. El peor caso es un fallo externo sólido de tres fases cerca del banco de transformadores. Durante la falla, el voltaje se reduce a casi cero en el banco; luego, cuando se borra la falla, el voltaje vuelve repentinamente a un valor normal. Esto puede producir una entrada de magnetización, pero su máximo no será tan alto como la entrada inicial debido a que el transformador está parcialmente energizado. 7/14

8 do. Irrupción simpática Se puede producir una avalancha de magnetización en un transformador energizado cuando se energiza un transformador cercano. Un caso común es el paralelo a un segundo banco de transformadores con uno que ya está en funcionamiento. El componente de CC de la corriente de entrada también puede saturar los transformadores energizados, lo que resulta en una corriente de entrada aparente. Esta corriente transitoria, cuando se agrega a la corriente de entrada del banco que está energizado, proporciona una corriente total simétrica compensada que es muy baja en armónicos. Esta sería la corriente que fluye en el circuito de suministro a ambos bancos de transformadores. Volver a contenidos 2. Sobreexcitación El nivel de flujo dentro de un transformador es proporcional al voltaje aplicado al transformador e inversamente proporcional a la frecuencia del voltaje aplicado. Cuando se producen condiciones de sobreexcitación que están por encima de los límites del diseño del transformador, el núcleo del transformador se satura y se produce una acumulación de calor con eventuales daños al transformador. Los transformadores de generador están especialmente sujetos a la sobreexcitación ya que dichos transformadores están conectados directamente a los terminales del generador. Las condiciones de voltaje y frecuencia en los terminales del generador están sujetas a variaciones de voltaje y frecuencia, especialmente durante el arranque del generador. Sin embargo, las preocupaciones sobre la sobreexcitación del transformador no están limitadas a los transformadores generadores. 8/14

9 Figura 3 - Corriente de magnetización en la sobreexcitación, donde I1 es la corriente de frecuencia fundamental, I5 es la corriente del quinto armónico, Im es la corriente de magnetización total y In es la corriente nominal. Las condiciones de sobrevoltaje y subfrecuencia pueden ocurrir en cualquier lugar del sistema de alimentación, especialmente cuando las perturbaciones hacen que porciones del sistema operen como islas aisladas. Los sistemas de transmisión a granel también están sujetos a condiciones de alta tensión durante períodos de carga ligera. Esto se debe a que dichos sistemas a menudo contienen largas líneas de transmisión, que contienen una capacitancia significativa. Durante períodos de carga ligera, el efecto de la capacidad de la línea predomina en las caídas de tensión causadas por la carga que fluye a través de la reactancia inductiva de la línea, lo que resulta en niveles de voltaje incrementados en el sistema. 9/14

10 Los niveles de voltaje pueden aumentar hasta el punto donde se exceden las clasificaciones de las instalaciones del sistema, incluidos los transformadores. El contenido armónico de la corriente de excitación del transformador es predominantemente armónico impar. La corriente típica de excitación del transformador contendrá una componente fundamental, que es el 52% de la nominal, una tercera componente armónica igual al 26% nominal, una quinta componente armónica igual al 11% nominal, una séptima componente armónica igual al 4% nominal, y así. Se debe considerar la protección contra sobreexcitación para todos los grandes transformadores utilizados como transformadores de la unidad generadora o aquellos que están conectados a partes del sistema de energía que conducen a que los transformadores se sobreexciten. Dicha protección debe consistir en retransmisión que sea capaz de responder directamente al nivel de excitación que existe, como voltios = transmisión de hertz. Los relés diferenciales del transformador están sujetos a la operación en alta corriente de excitación del transformador. Sin embargo, la característica operativa del relé en dicha corriente no se correlaciona bien con las características del límite de sobreexcitación del transformador. Como tal, no es práctico usar retransmisión diferencial como un medio para proteger a los transformadores contra la sobreexcitación. 10/14

11 En el lado negativo, los relés diferenciales del transformador están sujetos a operar con corriente de sobreexcitación a niveles inferiores a los que pueden causar daños al transformador. Además, la operación de retransmisión diferencial causada por la sobreexcitación podría causar confusión en las investigaciones posteriores a la perturbación. Los transformadores más grandes, para los que la sobreexcitación es una preocupación, deben estar equipados con protección de sobreexcitación específica y la retransmisión diferencial asociada debe bloquearse para que no funcione con la corriente de excitación por los motivos citados anteriormente. 3. Saturación del transformador de corriente La 3. saturación Saturación del de transformador los transformadores de corriente de corriente asociados con la retransmisión diferencial del transformador causa varias preocupaciones con respecto a dicha retransmisión: 1. La saturación de TC en fallas externas puede causar un funcionamiento incorrecto de la retransmisión diferencial debido a la corriente de operación que puede resultar de las formas de onda de corriente secundaria distorsionadas que existen durante tales condiciones. 2. Los armónicos contenidos en las corrientes secundarias de un transformador de corriente saturada pueden retrasar el funcionamiento de la retransmisión diferencial del transformador en fallas internas del transformador. La selección adecuada de los transformadores de corriente puede minimizar la exposición a los problemas enumerados anteriormente. Las características de diseño de los relés diferenciales del transformador también abordan estas preocupaciones. Volver a contenidos Referencia // Principios de protección de retransmisión y aplicaciones de H. Lee Willis y Muhammad H. Rashid 11/14