Protección Diferencial de Transformadores

Protección diferencial de Transformadore T ransformadoress (ANSI 87 T) Andrés Granero

En ausencia del relé Buchholz, la protección diferencial es el único procedimiento sensible que interviene rápidamente en caso de defectos internos del transformador. in embar!o ambas protecciones se complementan sin sustituirse una a la otra. "or ello en transformadores de peque#a $ mediana potencia suele utilizarse e%clusivamente el relé Buchholz, mientras que para transformadores de !ran potencia, por su importante papel en el sistema eléctrico $ su elevado coste, queda &ustificada la instalación de ambas protecciones. En tal caso la protección diferencial se limita a eliminar, rápida $ selectivamente los cortocircuitos cuando los demás dispositivos de protección de la central eléctrica funcionen con un cierto retardo o de forma no selectiva. 'a protección diferencial está basada en la medida de las intensidades antes $ después del transformador, adaptándolas en ma!nitud $ án!ulo de fase $ comparándolas en el relé. (uando se sobrepasa una relación a&ustable entre la intensidad de )paso* $ la diferencial, el relé actúa.

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+i!ura - Esquema simplificado de un relé diferencial para transformador de potencia n relé de protección diferencial moderno va provisto de retención con pendiente porcentual $ bloqueo o frenado al /0 $ 10 armónico.

'a protección se activa cuando I1 – I2 > K Ie + I0 +i!ura /- "rincipio de actuación de la protección diferencial de transformador 'a retención por pendiente porcentual, 2s3 distin!ue con precisión entre faltas internas $ e%ternas al transformador, mientras que el bloqueo de armónicos retiene con una determinada temporización las sobreintensidades de ori!en e%terno, con ob&eto de evitar disparos intempestivos de la instalación a consecuencia de corrientes transitorias ma!nétizantes, producidas, por e&emplo, al conectar el transformador a la red 2sobre todo en vac4o3. En definitiva, el relé no debe funcionar ni en el momento de la cone%ión del transformador ni en el caso de cortocircuitos e%ternos 2corrientes 5pasantes63. En cambio deberá ser rápido $ sensible a los defectos que ocurren dentro de su campo de acción delimitado por los transformadores de intensidad primarios $ secundarios.

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'a protección diferencial de transformador prote!e contra cortocircuitos entre arrollamientos que corresponden a cortocircuitos bifásicos o trifásicos, también detecta cortocircuitos entre espiras de una misma fase, debido a que en este caso también se altera la relación de transformación cambiando la relación entre la corriente de entrada $ la de salida, lo que da lu!ar a una corriente diferencial, cu$a ma!nitud depende del número de espiras cortocircuitadas, el relé actuara dependiendo de la sensibilidad del tarado. i el neutro del transformador está aislado de tierra, la protección diferencial puede utilizarse para prote!er contra defectos a tierra, en este caso es necesario que la protección sea suficientemente sensible, al i!ual que para el caso en que la corriente de defecto esté limitada por una impedancia. El funcionamiento de la protección diferencial de transformador es mu$ rápido, apro%imadamente 78 ms, lo que permite evitar el deterioro del transformador en caso de cortocircuito entre arrollamientos. 'a selección de la protección diferencial para transformadores de potencia, es un asunto delicado, que obli!a a efectuar al!unas consideraciones como veremos a continuación1.- Particularidades de la diferencial de transformadores

'a protección diferencial de transformadores no puede realizarse con una diferencial de alta impedancia debido a las corrientes diferenciales naturales que aparecen en su e%plotación, tales como9

9

(orrientes de cone%ión del transformador. 'a rapidez de funcionamiento deseada impide una temporización superior a la duración de la corriente 2al!unas décimas de se!undo3 'a acción del re!ulador en car!a provoca una corriente diferencial

'as particularidades de la protección diferencial para un transformador están li!adas a las caracter4sticas de los transformadores9 9 9 9

:elación de transformación entre la corriente de entrada I1 $ la de salida I2 El modo de acoplamiento entre el primario $ el secundario 'a corriente de cone%ión 'a corriente ma!netizante permanente

1.1.- Problemas debidos a la relación de transformación y al modo de acolamiento

'as corrientes primarias $ secundarias son diferentes en amplitud debido a la relación de transformación $ en án!ulo de fase en función del modo de acoplamiento 2un transformador trián!ulo estrella tiene un decala!e de 7803. Es, por tanto, necesario disponer estas corrientes de forma que la comparación de se#ales sean i!uales en funcionamiento normal. Esto se realiza utilizando transformadores au%iliares de adaptación para i!ualar las amplitudes $ el án!ulo de fases. imseingenieria.blogspot.com.es

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in embar!o, las relaciones de transformación comerciales, rara vez coinciden e%actamente con la correspondiente del transformador de potencia, por lo cual, una determinada diferencia e%istirá siempre entre ambas corrientes como se indica en la fi!ura 7.

+i!ura 7- ;iferentes intensidades por las bobinas de retención provocan el paso de corriente por el bobinado diferencial "ara que la corriente diferencial fuese cero, se deber4an sustituir, por e&emplo, los <= de 788>1 por otros de /?/>1 no normalizados. Este problema se resuelve empleando relés diferenciales de porcenta&e, $ si aun as4 no fuera suficiente, con transformadores de intensidad au%iliares de relación tal que compense e%actamente esta diferencia. E%isten relés que incorporan en su interior transformadores de i!ualación con tomas para adaptarse a cualquier situación razonable. +i!ura @.

!i"ura #- Bloque de tomas de los <= de a&uste

"ara compensar el desfase introducido por el !rupo de cone%ión del transformador entre la corriente primaria $ secundaria, se acoplan los secundarios de los transformadores de intensidad colocados en el lado del trián!ulo del transformador de potencia en estrella $ en trián!ulo en el lado de la estrella, +i!ura 1.


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+i!ura 1- Esquema de cone%iones de <= para protección diferencial de un transformador de potencia de dos arrollamientos ;e la misma forma conectaremos-

n monta&e inverso podr4a ocasionar la actuación de la p rotección, en caso de defectos a tierra sobre la red unida a los arrollamientos en estrella. En tales condiciones los componentes homopolares de la corriente de cortocircuito solo se encontrar4an en los secundarios de los transformadores de intensidad conectados en estrella. tra consideración importante a tener presentes en este tipo de protección es la de evitar que los transformadores de intensidad puedan lle!ar a la saturación ba&o condiciones de car!a nominal o cuando la corriente de cortocircuito lle!ue a su má%imo valor. En la práctica se suele aplicar en el cálculo un coeficiente de sobreintensidad de 8 siendo su clase 1"8, o sea 28, 77 ... 83 =  con error de corriente inferior al 1C $ error de án!ulo inferior a 788 minutos.


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En al!unos relés modernos no es preciso este tipo de requisitos, normalmente se conectan los <= de los dos lados del transformador en estrella $ el relé se encar!a de realizar todos los a&ustes necesarios v4a softDare, para conse!uir i!ualar las amplitudes $ los án!ulos de fase. 1.$.- Problema debido a las corrientes diferenciales or la re"ulación en car"a

(uando el transformador a prote!er lleva incorporado re!ulador en car!a, no será posible a&ustar perfectamente la relación de los <.=. en todo el campo de re!ulación será por tanto la caracter4stica porcentual re!ulada adecuadamente la que insensibilizará estos desequilibrios 2apartado /3. 'a re!ulación en car!a hace variar la relación de transformación. Esto se traduce en variaciones continuas de intensidad en el lado en que se efectúa la re!ulación $ por tanto en el relé. En el e&emplo de la fi!ura ? obtenemos el si!uiente resultado = //8 F / A =@? F @@8 H 1C.

+i!ura ?- Iariación de la relación de transformación con la re!ulación en car!a 1.3.- Problema debido a la corriente de cone%ión del transformador

Al conectar un transformador de potencia, especialmente estando éste funcionando en vac4o, se produce una fuerte irrupción transitoria de corriente en el devanado primario 2inrush current), que no es refle&ada en el secundario. Este fenómeno hace circular una corriente por el devanado diferencial del relé, provocando su actuación si no dispone de medios ade cuados para evitarlo. En transformadores con núcleo ma!nético de chapa de !rano orientado $ potencia superior a 8 JIA, la má%ima amplitud de la corriente transitoria ma!netizante puede alcanzar entre K $ 1 veces IN, en caso de cone%ión a la red por su lado de alta tensión $ de 1 a 78 veces, en caso de cone%ión por el lado de ba&a tensión 2transformadores elevadores3.


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u ma!nitud $ duración 2hasta varios se!undos3, dependen entre otras cosas a la construcción del núcleo ma!nético, a su tipo de cone%ión, a la e%istencia de otros transformadores conectados en paralelo, al valor instantáneo de la tensión en el momento de la cone%ión, etc. En la fi!ura L $ K están representadas las formas de onda de las corrientes en caso de cortocircuito en el sistema de potencia que es de tipo senoidal pura, acompa#ada de una componente continua que dependerá del instante en que se produce la falta, se!ún el punto donde se encuentra la onda de tensión $ la ma!nitud $ án!ulo de la impedancia del circuito.

+i!ura L- (orriente de cortocircuito asimétrica En cambio la intensidad ma!netizante de cone%ión del transformador presenta una forma de onda mu$ distorsionada con picos en los vértices para los semiciclos positivos $ prácticamente sin intensidad en los semiciclos ne!ativos. 'a composición de esta forma de onda suele ser como si!ue-

+i!ura K- Evolución de la corriente de cone%ión de un transformador en vac4o


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'a tabla  indica los armónicos presentes en la corriente de cone%ión 2inrush3 del transformador, como se observa, es mucho más acusado el valor del /0 armónico en relación con el resto. En esta particularidad se basa el principio del frenado de armónicos en relés diferenciales, distin!uiendo, por la forma de onda, entre faltas e intensidad ma!netizante. "ara ello se disponen elementos de bloqueo constituidos por dos filtros, uno serie $ otro paralelo, sintonizados con la componente del /0 armónico de la corriente de cone%ión. El filtro serie presenta una impedancia elevada a los armónicos, sin embar!o, permite el paso a la onda fundamental que es rectificada para dar lu!ar a la tensión de operación. El filtro paralelo bloquea la onda fundamental dando paso a los armónicos que después de rectificados dan lu!ar a la tensión de frenado 2+i!ura 3. (uando la corriente diferencial es prácticamente senoidal, como es el caso de fallos internos, el relé tiene un valor normal de pendiente en su caracter4stica. (uando la corriente diferencial contiene armónicos 2corriente de ma!netización en la cone%ión3, la retención o frenado adicional que ellos ori!inan incrementan la pendiente del relé, que resulta desensibilizado $ evita su operación.

+i!ura - "rotección diferencial de transformador con frenado de armónicas $.- &etención or endiente orcentual

(on el fin de evitar actuaciones de la protección en casos de corrientes de defecto e%ternas, se utilizan protecciones diferenciales de porcenta&e. 'as razones son debidas a la presencia de9

(orrientes diferenciales debidas al re!ulador en car!a


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Errores de medida de los transformadores de corriente o su saturación debida a cortocircuitos e%ternos

u funcionamiento puede observarse en los esquemas de la fi!ura 8. "ara intensidades i!uales circulando en el sentido indicado en las fi!ura 8 b 2funcionamiento normal o con defecto e%terno3 nin!una intensidad atravesará el devanado diferencial del relé. En funcionamiento normal, tanto la corriente diferencial Id como las de retención son mu$ peque#as. (uando e%iste defecto e%terno, la corriente de retención o frenado I' es elevada $ está controlada por los devanados S. iendo Id mu$ peque#a, el relé no actúa. 2=d F = M =/ N 83. "ara intensidades desi!uales =d F = O =/ el relé funcionará 2fi!ura 8 a3. Es el caso de defectos internos en el transformador o dentro del campo de acción limitado por los transformadores de intensidad primarios $ secundarios. e produce, también, una inversión en el sentido de circulación de una de ellas.

+i!ura 8- Efectos de las bobinas de retención para defectos internos $ e%ternos

'a imposibilidad de obtener un circuito totalmente equilibrado hace que por el devanado diferencial del relé circule una peque#a corriente, correspondiente a la ma!netización del núcleo del transformador, as4 como la debida a los errores de selección de los transformadores de intensidad.

Estas corrientes sólo representan un peque#o porcenta&e de la corriente nominal, pero en determinadas circunstancias, como es el caso de los transformadores con conmutador en car!a, pueden lle!ar a ser hasta de un /8C de la corriente nominal. "ara absorber estos desequilibrios tienen fundamento las bobinas S de retención, por lo que, en consecuencia, se requerirán ma$ores corrientes diferenciales para hacer funcionar el relé. 'a caracter4stica porcentual de la fi!ura  define el desequilibrio de intensidades preciso para que la protección actúe.


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Esta caracter4stica de disparo corresponde a una determinada relación entre la corriente diferencia Id $ la corriente de retención I', presentando dos codos. A esta relación se le desi!na como relación de retención )P* que es la corriente diferencial, e%presada en tanto por ciento de la corriente de retención, a la que actúa el relé. Es decir-

=

+i!ura - "endiente porcentual del relé diferencial

 

· 100% =  

En la zona 2a3 de la fi!ura / 2=Q F 8 a 8,1 =n3 el valor de la corriente diferencial que provoca el funcionamiento es constante e i!ual al a&uste base )"* entendiéndose por tal al valor de funcionamiento de la corriente =d en C de =n $ por =Q F 8.

En la zona 2b3 2=Q F 8,1 a /,1 =n3 aumenta el valor de la corriente de funcionamiento. Es este aumento el que anteriormente desi!nábamos P o )relación de funcionamiento* $ corresponde a t! R, o sea, la pendiente de la caracter4stica de funcionamiento. A partir del se!undo codo la caracter4stica o pendiente porcentual es mucho más escarpada 2zona c3. Gracias a esta caracter4stica de dos codos se obtienen sensibilidades má%imas para peque#as corrientes de defecto 2zona a3, mientras que para corrientes de defecto más importantes reduce la sensibilidad 2zonas b $ c3.


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