En ausencia del
relé Buchholz, la protección diferencial es el único procedimiento sensible que
interviene rápidamente en caso de defectos internos del transformador.
Sin embargo ambas
protecciones se complementan sin sustituirse una a la otra. Por ello en
transformadores de pequeña y mediana potencia suele utilizarse exclusivamente
el relé Buchholz, mientras que para transformadores de gran potencia, por su
importante papel en el sistema eléctrico y su elevado coste, queda justificada
la instalación de ambas protecciones. En tal caso la protección diferencial se
limita a eliminar, rápida y selectivamente los cortocircuitos cuando los demás dispositivos
de protección de la central eléctrica funcionen con un cierto retardo o de
forma no selectiva.
La protección
diferencial está basada en la medida de las intensidades antes y después del
transformador, adaptándolas en magnitud y ángulo de fase y comparándolas en el relé.
Cuando se sobrepasa una relación ajustable entre la intensidad de “paso” y la
diferencial, el relé actúa.
Figura
1: Esquema simplificado de un relé diferencial
para
transformador de potencia
Un relé de
protección diferencial moderno va provisto de retención con pendiente
porcentual y
bloqueo o frenado al 2º y 5º armónico.
La
protección se activa cuando I1
– I2 > K Ie + I0
Figura 2: Principio de actuación de la
protección diferencial de transformador
La retención por
pendiente porcentual, (s) distingue con precisión entre faltas internas y
externas al transformador, mientras que el bloqueo de armónicos retiene con una
determinada temporización las sobreintensidades de origen externo, con objeto
de evitar disparos intempestivos de la instalación a consecuencia de corrientes
transitorias magnétizantes, producidas, por ejemplo, al conectar el transformador
a la red (sobre todo en vacío). En definitiva, el relé no debe funcionar ni en
el momento de la conexión del transformador ni en el caso de cortocircuitos
externos (corrientes «pasantes»). En cambio deberá ser rápido y sensible a los
defectos que ocurren dentro de su campo de acción delimitado por los
transformadores de intensidad primarios y secundarios.
La protección
diferencial de transformador protege 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 y la de salida, lo que da lugar a una corriente
diferencial, cuya magnitud depende del número de espiras cortocircuitadas, el
relé actuara dependiendo de la sensibilidad del tarado.
Si el neutro del
transformador está aislado de tierra, la protección diferencial puede
utilizarse para proteger contra defectos a tierra, en este caso es necesario
que la protección sea suficientemente sensible, al igual que para el caso en
que la corriente de defecto esté limitada por una impedancia.
El funcionamiento de la protección diferencial de
transformador es muy rápido, aproximadamente 30 ms, lo que permite evitar el
deterioro del transformador en caso de cortocircuito entre arrollamientos.
La selección de la
protección diferencial para transformadores de potencia, es un asunto delicado,
que obliga a efectuar algunas consideraciones como veremos a continuación:
1.- Particularidades de la diferencial de
transformadores
La protección
diferencial de transformadores no puede realizarse con una diferencial de alta
impedancia debido a las corrientes diferenciales naturales que aparecen en su
explotación, tales como:
- Corrientes de conexión
del transformador. La rapidez de funcionamiento deseada impide una
temporización superior a la duración de la corriente (algunas décimas de
segundo)
-
La acción del
regulador en carga provoca una corriente diferencial
Las particularidades
de la protección diferencial para un transformador están ligadas a las
características de los transformadores:
-
Relación de
transformación entre la corriente de entrada I1 y la de
salida I2
-
El modo de
acoplamiento entre el primario y el secundario
-
La corriente de conexión
-
La corriente
magnetizante permanente
1.1.- Problemas
debidos a la relación de transformación y al modo de acoplamiento
Las corrientes
primarias y secundarias son diferentes en amplitud debido a la relación de
transformación y en ángulo de fase en función del modo de acoplamiento (un
transformador triángulo estrella tiene un decalage de 30º). Es, por tanto,
necesario disponer estas corrientes de forma que la comparación de señales sean
iguales en funcionamiento normal. Esto se realiza utilizando transformadores
auxiliares de adaptación para igualar las amplitudes y el ángulo de fases.
Sin embargo, las relaciones de transformación comerciales, rara vez coinciden exactamente con la correspondiente del transformador de potencia, por lo cual, una determinada diferencia existirá siempre entre ambas corrientes como se indica en la figura 3.
Figura 3:
Diferentes intensidades por las bobinas de retención
provocan
el paso de corriente por el bobinado diferencial
Para que la
corriente diferencial fuese cero, se deberían sustituir, por ejemplo, los TI de
300/5 por otros de 262/5 no normalizados.
Este problema se
resuelve empleando relés diferenciales de porcentaje, y si aun así no fuera
suficiente, con transformadores de intensidad auxiliares de relación tal que
compense exactamente esta diferencia. Existen relés que incorporan en su
interior transformadores de igualación con tomas para adaptarse a cualquier
situación razonable. Figura 4.
Figura 4:
Bloque de tomas de los TI de ajuste
Para compensar el
desfase introducido por el grupo de conexión del transformador entre la
corriente primaria y secundaria, se acoplan los secundarios de los
transformadores de intensidad colocados en el lado del triángulo del
transformador de potencia en estrella y en triángulo en el lado de la estrella,
Figura 5.
Figura
5: Esquema de conexiones de TI para protección diferencial
de un
transformador de potencia de dos arrollamientos
De la misma forma conectaremos:
Un montaje inverso
podría ocasionar la actuación de la protección, 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 encontrarían en los
secundarios de los transformadores de intensidad conectados en estrella.
Otra consideración
importante a tener presentes en este tipo de protección es la de evitar que los
transformadores de intensidad puedan llegar a la saturación bajo condiciones de
carga nominal o cuando la corriente de cortocircuito llegue a su máximo valor.
En la práctica se
suele aplicar en el cálculo un coeficiente de sobreintensidad de 10 siendo su
clase 5P10, o sea (0, 33 ... 10) IN con error de corriente inferior al 5% y
error de ángulo inferior a 300 minutos.
En algunos relés
modernos no es preciso este tipo de requisitos, normalmente se conectan los TI
de los dos lados del transformador en estrella y el relé se encarga de realizar
todos los ajustes necesarios vía software, para conseguir igualar las
amplitudes y los ángulos de fase.
1.2.- Problema debido a las corrientes diferenciales
por la regulación en carga
Cuando el
transformador a proteger lleva incorporado regulador en carga, no será posible
ajustar perfectamente la relación de los T.I. en todo el campo de regulación;
será por tanto la característica porcentual regulada adecuadamente la que
insensibilizará estos desequilibrios (apartado 2).
La regulación en
carga hace variar la relación de transformación. Esto se traduce en variaciones
continuas de intensidad en el lado en que se efectúa la regulación y por tanto
en el relé.
En el ejemplo de la
figura 6 obtenemos el siguiente resultado I220 = 92 A; I46 = 440 ± 15%.
Figura 6:
Variación de la relación de transformación
con la
regulación en carga
1.3.- Problema
debido a la corriente de conexión del transformador
Al conectar un
transformador de potencia, especialmente estando éste funcionando en vacío, se
produce una fuerte irrupción transitoria de corriente en el devanado primario (inrush current), que no es reflejada
en el secundario.
Este fenómeno hace
circular una corriente por el devanado diferencial del relé, provocando su
actuación si no dispone de medios adecuados para evitarlo.
En transformadores con
núcleo magnético de chapa de grano orientado y potencia superior a 10 MVA, la
máxima amplitud de la corriente transitoria magnetizante puede alcanzar entre 8
y 15 veces IN, en caso de
conexión a la red por su lado de alta tensión y de 15 a 30 veces, en caso de conexión
por el lado de baja tensión (transformadores elevadores).
Su magnitud y
duración (hasta varios segundos), dependen entre otras cosas a la construcción
del núcleo magnético, a su tipo de conexión, a la existencia de otros
transformadores conectados en paralelo, al valor instantáneo de la tensión en
el momento de la conexión, etc.
En la figura 7 y 8
están representadas las formas de onda de las corrientes en caso de cortocircuito
en el sistema de potencia que es de tipo senoidal pura, acompañada de una
componente continua que dependerá del instante en que se produce la falta,
según el punto donde se encuentra la onda de tensión y la magnitud y ángulo de
la impedancia del circuito.
Figura
7: Corriente de cortocircuito asimétrica
Figura 8: Evolución de la corriente de conexión
de un
transformador en vacío
La tabla 1 indica
los armónicos presentes en la corriente de conexión (inrush) del transformador,
como se observa, es mucho más acusado el valor del 2º armónico en relación con
el resto.
En esta particularidad
se basa el principio del frenado de armónicos en relés diferenciales,
distinguiendo, por la forma de onda, entre faltas e intensidad magnetizante. Para
ello se disponen elementos de bloqueo constituidos por dos filtros, uno serie y
otro paralelo, sintonizados con la componente del 2º armónico de la corriente
de conexión.
El filtro serie
presenta una impedancia elevada a los armónicos, sin embargo, permite el paso a
la onda fundamental que es rectificada para dar lugar a la tensión de
operación. El filtro paralelo bloquea la onda fundamental dando paso a los
armónicos que después de rectificados dan lugar a la tensión de frenado (Figura
9).
Cuando la corriente
diferencial es prácticamente senoidal, como es el caso de fallos internos, el
relé tiene un valor normal de pendiente en su característica. Cuando la
corriente diferencial contiene armónicos (corriente de magnetización en la
conexión), la retención o frenado adicional que ellos originan incrementan la
pendiente del relé, que resulta desensibilizado y evita su operación.
Figura 9: Protección diferencial de Transformador con frenado de armónicas
2.- Retención
por pendiente porcentual
Con el fin de evitar
actuaciones de la protección en casos de corrientes de defecto externas, se
utilizan protecciones diferenciales de porcentaje. Las razones son debidas a la
presencia de:
-
Corrientes diferenciales
debidas al regulador en carga
- Errores de medida
de los transformadores de corriente o su saturación debida a cortocircuitos
externos
Su funcionamiento
puede observarse en los esquemas de la figura 10.
Figura
10: Efectos de las bobinas de retención para defectos internos y externos
Para intensidades
iguales circulando en el sentido indicado en las figura 10 b (funcionamiento
normal o con defecto externo) ninguna intensidad atravesará el devanado
diferencial del relé. En funcionamiento normal, tanto la corriente diferencial Id como las de retención
son muy pequeñas. Cuando existe defecto externo, la corriente de retención o
frenado IH
es
elevada y está controlada por los devanados S. Siendo Id muy pequeña, el
relé no actúa. (Id = I1 – I2 ≈ 0).
Para intensidades
desiguales Id = I1 + I2 el relé funcionará (figura 10 a). Es el caso de
defectos internos en el transformador o dentro del campo de acción limitado por
los transformadores de intensidad primarios y secundarios. Se produce, también,
una inversión en el sentido de circulación de una de ellas.
La imposibilidad de obtener un circuito totalmente equilibrado hace que por el devanado diferencial del relé circule una pequeña corriente, correspondiente a la magnetización del núcleo del transformador, así como la debida a los errores de selección de los transformadores de intensidad.
La imposibilidad de obtener un circuito totalmente equilibrado hace que por el devanado diferencial del relé circule una pequeña corriente, correspondiente a la magnetización del núcleo del transformador, así como la debida a los errores de selección de los transformadores de intensidad.
Estas corrientes
sólo representan un pequeño porcentaje de la corriente nominal, pero en determinadas
circunstancias, como es el caso de los transformadores con conmutador en carga,
pueden llegar a ser hasta de un 20% de la corriente nominal.
Para absorber estos
desequilibrios tienen fundamento las bobinas S de retención, por
lo que, en consecuencia, se requerirán mayores corrientes diferenciales para
hacer funcionar el relé.
La característica
porcentual de la figura 11 define el desequilibrio de intensidades preciso para
que la protección actúe.
Esta característica
de disparo corresponde a una determinada relación entre la corriente diferencia
Id
y
la corriente de retención IH, presentando dos codos. A esta relación se le designa como
relación de retención “ϑ”
que es la corriente diferencial, expresada en tanto por ciento de la corriente
de retención, a la que actúa el relé. Es decir:
Figura 11: Pendiente porcentual del relé diferencial
En la zona (b) (IH
= 0,5 a 2,5 In) aumenta el valor de la corriente de funcionamiento. Es este
aumento el que anteriormente designábamos ϑ o “relación de funcionamiento” y corresponde a tg α, o sea, la
pendiente de la característica de funcionamiento. A partir del segundo codo la
característica o pendiente porcentual es mucho más escarpada (zona c).
Gracias a esta
característica de dos codos se obtienen sensibilidades máximas para pequeñas
corrientes de defecto (zona a), mientras que para corrientes de defecto más
importantes reduce la sensibilidad (zonas b y c).
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