5 - Proteccion de Transformadores v23.pdf

INTRODUCCIÓN
El incremento del uso de la energía eléctrica ha
permitido el diseño y mejor aprovechamiento de la
energía eléctrica mediante el uso de transformadores,
los cuales se utilizan para elevar o reducir las tensiones
y corrientes a valores apropiados para su uso.
Por lo que una falla en el transformador puede
resultar en la perdida de servicio.
Un despeje pronto de una falla previene de daños
catastróficos.
2

INTRODUCCIÓN (2)
Por lo tanto una protección apropiada, es importante
para todos los transformadores en todas las medidas,
aunque estas máquinas son los componentes más
simples, confiables y de mayor seguridad de servicio
en sistemas de potencia.
Los transformadores requieren una protección efectiva
contra todas las fallas que pueden dañar a los mismos,
sean de origen externo o interno.
La elección de los elementos de protección está en
base a consideraciones técnicas y costos relacionados
con la potencia. 3

a. Sobrecargas
b. Cortocircuitos
c. Fallas internas
TIPOS DE FALLAS
Una falla en un transformador puede ser causado
por una serie de condiciones externas o internas
que hacen de la maquina incapaz de trabajar
apropiadamente, las fallas en transformadores
pueden ser agrupadas en:
4

TIPOS DE FALLAS
1. Las fallas en los arrollamientos
2. Terminales y cambiador de taps sin carga
3. Falla en el cambiador taps en carga
4. Falla en los bushing
5. Fallas debido a ruptura de la aislación de núcleo
6. Falla de otros equipos, que no están dentro de la zona
de protección del transformador, pueden causar la pérdida del
transformador del sistema, entre estos tenemos los cables, los
ductos, interruptores, transformadores instrumento, pararrayos y
elementos de aterramiento del neutro.
5

Calentamiento
localizado
debido a flujo
magnético
Expansión u
contracción por
ciclos térmicos
Vibraciones
Fuerzas debido a
fallas pasantes
Calentamiento
excesivo debido
a sobrecargas
IEEE C37.91-2008

Deformación
del núcleo
Inestabilidad
axial
Cortocircuito
entre espiras

SOBRECARGA
Las sobrecargas pueden ser causadas por un incremento de
la carga o por el incremento de potencia por una o más
cargas.
Las sobrecargas pueden resultar en una sobrecorriente de
larga duración. Causando la elevación de la temperatura
que es perjudicial para la preservación de la aislación y la
vida del transformador.
La protección contra sobrecorriente de larga duración,
puede ser detectada por el relé de protección de
sobrecorriente retardada o por el tiempo definido ANSI 51
que da una discriminación con respecto a las unidades de
protección secundarias. 8

SOBRECARGA (2)
La temperatura del dieléctrico es monitoreado por
ANSI 26 para transformadores con aislación liquida y
la temperatura de las bobinas es monitoreado por
ANSI 49 para el caso de transformadores del tipo
seco.
La protección de sobrecarga térmica ANSI 49 rms es
utilizada para monitoreo más sensitivo de elevación
de temperatura. El calor máximo es determinado por
simulación de liberación de calor acorde a la
corriente y la inercia térmica del transformador.
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CORTOCIRCUITOS
Pueden ocurrir dentro y fuera del transformador.
CORTOCIRCUITOS INTERNOS
Son fallas entre diferentes fases de conductores o fallas
entre espiras de una misma bobina. El arco de una falla
daña a las bobinas del transformador y puede causar
incendio. En transformadores en aceite, el arco causa
la emisión de gas descompuesto.
Si la falla es ligera, un pequeño porcentaje de gas
emitido y la acumulación de este gas es peligroso.
10

CORTOCIRCUITOS (2)
Un cortocircuito violento puede causar mayor daño
como para destruir las bobinas y también la cuba por
la propagación de aceite quemado.
CORTOCIRCUITO EXTERNO
Las fallas entre fases de las conexiones externas, estas
corrientes de cortocircuito crean esfuerzos
electrodinámicos en el transformador que conducen
a un efecto dinámico sobre las bobinas y guían a
una falla interna.
11

APLICACIÓN DE PROTECCIÓN CONTRA FALLAS
 Para transformadores en aceite, relés que son sensitivos a
la emisión de gases de movimiento de aceite ANSI 63,
causada por cortocircuito entre espiras de una misma
fase o cortocircuitos de fase a fase.
 Relé buchholz de libre circulación de aceite para
transformadores en AT. Detectores de presión y gas para
transformadores AT/BT herméticamente sellados.
 Protección diferencial de transformadores ANSI 87T, el
cual da una protección rápida contra fallas de fase a
fase. Es de alta sensibilidad y utilizado en transformadores
de elevada potencia. 12

APLICACIÓN DE PROTECCIÓN CONTRA FALLAS
Para evitar el molestoso disparo de la 2da armónica de la
corriente diferencial es medida para detectar la energización
del transformador (H2 restricción) y la 5ta armónica es
medida para detectar sobre flujo (H5 restricción).
 Un relé de sobre corriente instantáneo ANSI 50, ligado al
interruptor de potencia localizado en el primario del
transformador da una protección contra cortocircuitos
violentos.
 Fusibles en el lado de alta pueden ser utilizados para
proteger transformadores de baja potencia y de
distribución.
13

PROTECCIÓN
DIFERENCIAL
PROTECCIÓN
SOBRECORRIENTE
PROTECCIONES
MECÁNICAS
PROTECCIONES
ADICIONALES
- Diferencial
Porcentual (87)
- Diferencial a
tierra (87G)
- Sobrecorriente
trifásica (50/51)
- Sobrecorriente
monofásica
(50N/51N)
- Térmico (49)
- Buchholz (63/71)
-Presión súbita (63)
- Sobrepresión (63)
- Nivel aceite (71)
- Temp. aceite (23)
-Temp.devanado(23)
- Sobreexcitación
(24)
- Sobretensión
(59)
- Desbalance de
corriente (46)

FALLAS INTERNAS
Las fallas internas pueden ocurrir entre las bobinas y
la cuba o entre las bobinas, y el núcleo magnético.
Ellos causan emisión de gas en transformadores en
baño de aceite. Como los cortocircuitos internos,
ellos pueden causar daños al transformador e
incendio. La amplitud de la corriente de falla
depende del tipo de conexión del neutro en el lado
de alta y lado de baja tensión, también la posición
de la falla en las bobinas.
15

FALLAS INTERNAS (2)
 Para transformadores conectados en
estrella, la corriente de falla varía entre 0
y el valor máximo dependiendo sobre si
la falla es en el neutro o en el final de la
fase de la bobina.
 Para la conexión en delta, la corriente
de falla varia 50% a 100% del valor
máximo dependiendo sobre si la falla es
en el medio o al final de la bobina.
16

INFORMACIÓN SOBRE LA OPERACIÓN
a). Energización del
transformador
La energización del
transformador crea una
corriente pico elevada
transitoria (inrush) que puede
alcanzar hasta 20 veces la
corriente nominal con una
constante de tiempo de 0,1 a
0,7 segundos. 17

INFORMACIÓN SOBRE LA OPERACIÓN
Este fenómeno es debido a la saturación del
circuito magnético el cual produce una corriente
de magnetización elevada.
b). Sobreflujo
La operación de un transformador a voltaje o
frecuencia que es demasiado bajo crea una
excesiva corriente de magnetización y conduce a
la deformación de la corriente por un incremento
sustancial de armónicos de 5to orden.
18

RELÉ BUCHHOLZ
Es uno de los más efectivos en la detección de falla
interna en el transformador.
El dispositivo de presión de descanso o respiro para
presiones internas menores o serias. Cuando la presión
excede la presión de disparo, el dispositivo se abre
permitiendo que el gas sea expulsado, al mismo tiempo
que conecta una alarma o una señal luminosa
indicando la operación.
Cualquier operación de este dispositivo que no esté
precedido por una carga de temperatura alta, es
indicación posible de una falla en las bobinas. internos. 19

RELÉ BUCHHOLZ (4)
El relé de presión máxima es muy sensitivo y normalmente
usada para iniciar la aislación del transformador del
sistema eléctrico con el fin de limitar daños a la unidad
cuando existe un incremento brusco de la presión, este
es producido por la vaporización del líquido aislante
(aceite), por una falla interna, como un cortocircuito
interno entre espiras, falla a tierra o falla de bobina a
bobina. Las burbujas del gas formado en el líquido
aislante, crean una onda de presión que rápidamente
activa el relé. Cuando dispara este relé el peligro de re
energizar el mismo es muy riesgoso.
22

FALLAS EN LA CUBA
El relé de protección retardado ANSI 51, instalado
sobre la conexión del neutro del transformador (si el
ajuste es compatible con la conexión del neutro) es
una solución simple y efectiva para fallas internas
de las bobinas a la cuba. Esta protección es
selectiva y solo es sensitiva para fallas del primario o
secundario contra masa. Otra solución consiste en
el uso de la protección de falla a masa. El relé de
protección de falla a tierra ANSI 51N, localizado
sobre el primario del transformador.
23

87
T: 20MVA 115/13,8 KV
Power
Transformer
Differential
Relay
CT1 CT2
I1 I2
𝑰𝟎 = 𝑰𝟏 − 𝑰𝟐
Where
𝐼0 Is the operating current
𝐼1 Is the current entering transformer
𝐼2 Is the current leaving transformer

La protección diferencial opera sobre una relación
porcentual de entrada de corrientes a salida de
corrientes, este porcentaje es llamado pendiente
del relé. Un relé con una pendiente del 25% opera si
la diferencia entre las corrientes que entran y salen
es mayor que el 25% de la corriente ajustada.
La sensibilidad en la detección de la falla de los
relés diferenciales está determinada por la
combinación de ajuste del relé y los parámetros del
circuito. 26

DIFERENCIAL CORTA Y LARGA
87
87

CARACTERISTICAS
 Protección típica en transformadores de 10MVA o mas.
 Detección rápida de fallas que puede reducir el daño
producido por la corriente de falla.
 Apropiada para detectar las fallas que se producen
tanto en el interior del transformador como en sus
conexiones externas hasta los transformadores de
corriente asociados con esta protección.

PROTECCIÓN POR RELES DE SOBRECORRIENTE
Para la protección contra cortocircuito de
transformadores de media y baja potencia, en el que
la importancia económica es menor como protección
de respaldo contra fallas externas, los relés de
sobrecorriente son empleados en vez de los relés
diferenciales.
Para este objetivo se emplea, tres transformadores de
corriente CTs, uno en cada fase y por lo menos dos
relés de fase y uno de tierra, lo ideal es tres relés de
fase y uno de tierra.
29

PROTECCIÓN POR RELES DE SOBRECORRIENTE
Los relés de sobrecorriente deben ser seleccionados para
dar un rango de ajuste por sobrecorriente para ajuste de
sobrecarga y cortocircuito. Las características deben ser
seleccionados para coordinar con dispositivos de
protección hacia adelante y detrás del transformador
protegido. 30
Un elemento
de tiempo
inverso
Un elemento
instantáneo

PROTECCIÓN CON RELÉ MULTIFUNCIÓN
31

PROTECCIÓN DE TRANSFORMADOR
FUNCIONES PRINCIPALES
FUNCIONES SECUNDARIAS
32
87T 87TN 50 50N 21
50 50N 49T 24T 46

PROTECCIÓN GENERAL
>5MVA
 Detector Gas ( Buchholz)
 Sobre Carga
 Relés Térmicos
 Monitoreo Temperatura
 Sobre Corriente
 Falla a Tierra
 Diferencial
 Falla Entre Espiras
 Presión Cambiador TAP
 Nivel de Aceite
33
<5MVA
• Detector de Gas (Buchholz)
• Sobre Carga
• Sobre Corriente
• Falla a Tierra

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