Protección diferencial 87T en transformadores: compensación, inrush y sobre-excitación

Resumen

El documento explica cómo se compensa la protección diferencial 87T de un transformador para ajustar las diferencias de corriente y relación entre devanados. Además, describe la corriente de inrush que aparece al energizar el transformador y las soluciones para evitar disparos indeseados, así como la protección frente a la sobre-excitación medida con la relación V/f.

Puntos clave

La compensación ajusta las diferencias de corriente nominal y relación de transformación entre devanados; se elige como referencia el devanado con menor margen.
La corriente inrush aparece al energizar el transformador, puede ser varias veces la nominal y es interpretada como corriente diferencial por el relé 87T.
Soluciones para el inrush: retardo del disparo, frenado por segundo armónico (con detectores de saturación de TIs) y detección de la forma de onda con tiempo de corriente nula superior a un cuarto de ciclo.
La sobre-excitación se produce cuando el flujo del núcleo es excesivo, proporcional a la relación V/f, y provoca aumento de corriente de magnetización y temperatura.
En sobre-excitación la corriente de magnetización tiene gran contenido de quinto armónico y su semiciclo positivo es simétrico al negativo, a diferencia del inrush.
El relé 87T puede frenar por quinto armónico o disparar directamente si la corriente I5 supera un umbral.

Ponte a prueba

Compensación en la Protección Diferencial de Transformadores

La compensación es un proceso esencial para asegurar que la protección diferencial (87T) opere correctamente, ajustando las diferencias de corriente nominal y relación de transformación entre los devanados.

Ejemplo de Procedimiento de Compensación

Se halla la corriente nominal en cada devanado del transformador.
Se calcula el margen que existe entre la toma primaria de cada TI (Transformador de Instrumento) respecto a la corriente nominal del transformador.
Se selecciona el devanado que tenga menor margen como devanado de referencia.
Se utilizan los coeficientes $m_2$ para la baja tensión y $m_1$ para la alta tensión, según corresponda, para realizar el ajuste.

Corriente Inrush (Corriente de Conexión)

Cuando se energiza un transformador, aparecen estas corrientes transitorias de magnetización, conocidas como corriente inrush. Esta corriente puede tener un valor varias veces superior a la corriente nominal y es interpretada como una corriente diferencial por el relé 87T. Para evitar disparos indeseados cuando no existe una falla real, se implementan las siguientes soluciones:

Soluciones para la Corriente Inrush

Retrasar el disparo de la protección diferencial: Esto significa que se otorga un tiempo para que esta corriente decaiga antes de permitir el disparo. Sin embargo, esta solución tiene el inconveniente de que ralentiza la operación de la protección ante una falla real.
Frenado por segundo armónico: Si se detecta un contenido de segundo armónico superior a un cierto valor preestablecido, se aumenta la corriente de frenado para inhibir el disparo. Nota: En caso de saturación de los TIs (Transformadores de Instrumento), se deben incorporar detectores de saturación, ya que en ese escenario también aparece el segundo armónico.
Detección de la forma de onda de la corriente inrush: Esta corriente tiene siempre un tiempo en cada ciclo en el que su magnitud es cero. Este tiempo es superior a un cuarto de ciclo. Si el relé es capaz de detectar dicha situación, se puede inhibir la operación del relé durante la energización del transformador.

Protección contra Sobre-excitación (V/f)

La sobre-excitación ocurre cuando el flujo del núcleo es excesivo, siendo este proporcional a la relación $V/f$ (Tensión/Frecuencia). La sobre-excitación provoca:

Incremento de la corriente de magnetización.
Incremento de la temperatura de los devanados.
Incremento de ruidos y vibraciones.
Sobrecalentamiento de todas las partes metálicas del transformador.
Aparición de armónicos de orden impar.

Impacto y Mecanismos de Protección

La sobre-excitación afecta especialmente a transformadores elevadores de grupos de generación durante el arranque o la parada, si el generador está excitado a la tensión nominal cuando su velocidad es inferior a la de sincronismo (baja frecuencia). También puede ser provocada por una pérdida repentina de carga.

Si el transformador de potencia llega al punto de saturación debido a la sobre-excitación, la corriente de magnetización que aparece tiene un gran contenido en quinto armónico y periodos de corriente nula. A diferencia de la corriente inrush, la forma de onda del semiciclo positivo es simétrica a la del semiciclo negativo.

Frenado por Quinto Armónico

La protección diferencial (relé 87T) incorpora un frenado basado en la superación de un porcentaje de corriente de quinto armónico para evitar disparos indeseados durante la sobre-excitación. Los relés 87T también pueden incorporar el disparo directo por la superación de un umbral determinado de $I_5$ (corriente de quinto armónico).

Preguntas frecuentes

¿Qué es la corriente inrush en un transformador?

Es una corriente transitoria de magnetización que aparece al energizar el transformador. Puede alcanzar varias veces la corriente nominal y el relé 87T podría interpretarla como una corriente diferencial.

¿Cómo se evita que el relé 87T dispare por la corriente inrush?

Se puede retrasar el disparo, aplicar frenado por segundo armónico o detectar la forma de onda, ya que la corriente inrush tiene un tiempo de magnitud cero superior a un cuarto de ciclo en cada ciclo.

¿Qué causa la sobre-excitación de un transformador?

Ocurre cuando el flujo del núcleo es excesivo, lo que se relaciona con la relación V/f. Puede darse en el arranque o parada de un grupo generador o por una pérdida repentina de carga.

¿Cómo protege el relé 87T frente a la sobre-excitación?

Incorpora un frenado basado en un porcentaje de corriente de quinto armónico y también puede disparar directamente si I5 supera un umbral determinado.