Semana 9 - Protecciones Electricas (1).pptx

UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO
FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
U N I D AD 2
PROTECCIONES DE TRANSFORMADORES
M O D U L O
NOVENO “A”
AS I G N AT U R A
PROTECCIONES ELECTRICAS
D O C E N T E
ING. SILVIA TAIPE, MSC.
Protecciones Eléctricas

PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES
En contraste con los generadores, en los cuales pueden surgir
muchas condiciones anormales, los transformadores pueden
sufrir solo cortocircuitos de devanados, circuitos abiertos, o
sobrecalentamiento. En la práctica no se provee de protección
con relevadores contra circuitos abiertos puesto que ellos no son
perjudiciales .En la práctica general no se provee contra
sobrecarga ni contra sobrecalentamiento ellos pueden ser
accesorios térmicos que hacen sonar una alarma o controlan un
banco de ventiladores, pero con solo pocas excepciones, el
disparo automático de los interruptores del transformador no es
practicado generalmente.

Los transformadores se clasifican según su ubicación en el sistema de potencia Esto es transformadores de
generadores (step up), transformadores de distribución y transformadores de transmisión o del sistema,
estos últimos para transformaciones entre redes.
Pueden ser bancos monofásicos o unidades trifásicas, autotransformadores o transformadores de devanado
completo y su diseño en términos generales puede ser tipo shell ..(tendencia originada en Estados Unidos) o
tipo core (tendencia europea).
Lo cual afecta la forma en la que se producen los esfuerzos dinámicos cuando ocurren los cortocircuitos
también el tipo de núcleo afecta el contenido de armónicos durante las energizaciones.

TIPOS DE FALLAS
Distribución de las fallas en los transformadores de potencia aplicados en sistemas de transmisión:
• Fallas en los devanados: 51 %
• Fallas en el cambiador de tomas: 19%
• Fallas en los bujes: 9%
• Fallas en las cajas de conexión: 6%
• Fallas en el núcleo: 2%
• Fallas misceláneas: 13%

Una situación particular es que las fallas entre espiras en los devanados producen una corriente menor del
10% de la corriente nominal la máxima corriente de falla normalmente se produce con la falla del buje de
alta tensión .
Las tasas de fallas anuales oscilan entre el 1% y el 4% presentándose un incremento entre mayores sean
los niveles de tensión.
PROTECCION DE TRANSFORMADORES

Una falla en un devanado del transformador resultará en corrientes que dependen de la fuente, de la
impedancia de puesta a tierra del neutro, de la reactancia de dispersión del transformador y de la
posición de la falla en los devanados Las conexiones de los devanados también influyen en la magnitud
de la corriente de falla En el caso de un devanado conectado como se muestra en la figura, la corriente
de falla depende de Zg y es proporcional a la distancia entre la falla y el punto neutro.
FALLAS A TIERRA

Fallas al núcleo
Debido al rompimiento del aislamiento, lo cual permite el flujo de suficiente corriente de Eddy que
causa sobre calentamiento y puede alcanzar gran magnitud como para dañar el devanado.
Fallas entre espiras
Ocurren debido a arcos en los devanados causados por descargas en la línea .Un cortocircuito de unas
pocas espiras del devanado generará corrientes altas en los lazos cortocircuitados, pero las corrientes
en los terminales serán bajas.
Fallas Fase Fase.
Es raro que ocurran pero si se presentan, resultarán en elevadas corrientes de magnitudes similares a
las corrientes de
falla a tierra.
Fallas del tanque.
Que ocasionan pérdidas de aceite y se reduce el aislamiento de los devanados así como elevaciones
anormales de
temperatura.

CONDICIONES ANORMALES DEBIDO A FACTORES EXTERNOS
Estas condiciones resultan en esfuerzos severos sobre el transformador. Ellas son:
Sobrecarga.
Que incrementa las pérdidas de 𝐼2𝑅 y la elevación asociada de temperatura.
Fallas del sistema.
Que producen efectos similares a la sobrecarga y algunas veces más severos.
Sobre voltajes.
Debido a descargas transitorias o a incrementos de voltaje a frecuencia 60 Hz produciendo esfuerzos al
aislamiento e incremento en el flujo.
Operación a baja frecuencia del sistema.
Resultará en incremento de flujo, causando un aumento en las pérdidas en el núcleo y la correspondiente
elevación de la temperatura.

Por razones de diseño, los transformadores tienen un valor nominal basado en el aumento de temperatura,
bajo ciertas condiciones ambientales asumidas.
A baja temperatura ambiente, alguna sobrecarga se puede admitir.
Para medir la temperatura se usan sensores térmicos en la parte superior del tanque dentro de un
compartimiento en el cual se coloca un pequeño calentador (o resistencia eléctrica) alimentado por un TC
del terminal de bajo voltaje de cada una de las fases.
Otro método usado es el termómetro de dial, que consiste en un tubo capilar conectado a un bulbo en
contacto con el aceite. El tubo capilar se llena con un líquido que transmita el cambio.
El relevador de sobre temperatura es un elemento sensible a los cambios de temperatura, dispone de
contactos de control de acuerdo a las necesidades. Los hay de imagen térmica o de tubo capilar y es usado
para arrancar sistemas de refrigeración automática y para dar alarma o producir señal de disparo según la
magnitud del aumento de temperatura
PROTECCIÓN CONTRA SOBRECALENTAMIENTO

RELEVADOR DE SOBRE TEMPERATURA

RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE
Sirven como respaldo al relevador diferencial y a fallas externas. Los relevadores de sobrecorriente son
usualmente suministrados con un elemento instantáneo y un elemento de tiempo diferido dentro de la
misma unidad .
Cuando los relevadores electromagnéticos fueron muy populares, la protección de sobrecorriente fue hecha
de unidades monofásicas separadas. La protección a base de microprocesadores más moderna tiene una
unidad de sobrecorriente trifásica y una unidad de falla a tierra dentro de la misma caja.

Las unidades instantáneas son más efectivas cuando las impedancias de los elementos del sistema de
potencia que
está siendo protegido son grandes en comparación con la impedancia fuente .
Ellas ofrecen dos ventajas:
Reducir el tiempo de operación de los relevadores para fallas severas del sistema.
Evitar la pérdida de selectividad en un sistema de protección que contiene relevadores con características
diferentes; esto es obtenido mediante el ajuste de las unidades instantáneas, así que ellos operan antes del
cruce de las características del relevador como se muestra en la figura.
PROTECCION DE TRANSFORMADORES

El criterio para calibrar las unidades instantáneas varía dependiendo de la ubicación y tipo de elemento del
sistema que se está protegiendo En el caso de transformadores de potencia las unidades instantáneas de
los relevadores de sobrecorriente instalados en el lado primario del transformador se debe ajustar a un
valor entre el 125% y el
150% de la corriente de cortocircuito que existe en la barra de bajo voltaje, referida al lado de alto voltaje.
Los relevadores de sobrecorriente son muy usados en potencias medias y donde se disponga de
interruptores automáticos comandados por este tipo de relevadores .
También se usan como respaldo con tiempos de retraso más altos que los de la protección principal, en
transformadores de potencia y en devanados terciarios sin carga.

Es usada para transformadores con devanados conectados en Y como se muestra en la figura .La suma de
las corrientes de fase es balanceada contra la corriente del neutro y por tanto, el relevador no responderá
a las fallas externas al devanado.
PROTECCIÓN DE FALLA A TIERRA RESTRINGIDA

Un sistema diferencial puede proteger efectivamente a un transformador debido a la confiabilidad inherente
de los relevadores, los cuales son altamente eficientes en la operación y al hecho de que los amperios vuelta
equivalentes son desarrollados en los devanados primario y secundario del transformador
Los TC son conectados de tal forma que ellos forman un sistema de corriente circulante como se ilustra en la
figura. Las fallas en los terminales o en los devanados están dentro de la zona de protección del
transformador y debe ser despejada tan rápidamente como sea posible a fin de evitar esfuerzos internos y
el peligro de incendio.
LA PROTECCION DIFERENCIAL DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA

La mayoría de las fallas internas que ocurren son a tierra (a través del núcleo) o entre espiras, con una
severidad que depende del diseño del transformador y del tipo de puesta a tierra.
La protección diferencial también puede detectar y despejar fallas de aislamiento en los devanados
del transformador.
Este tipo de protección no solamente responde a las fallas fase a fase y fase a tierra sino también en
algún grado a las fallas entre espiras.

PROTECCIÓN DIFERENCIAL PARA AUTOTRANSFORMADORES
Para autotransformadores se utiliza el relevador diferencial, aunque en algunos casos es más usado el
sistema de corriente circulante que se basa en la aplicación de la leyes de Kirchhoff a una malla y sugiere
que la suma de las corrientes que fluyen en todas las conexiones externas a la malla es cero .
Todos los TC deben tener la misma relación de transformación. Se pueden utilizar varios esquemas de
conexión

PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE ALTA IMPEDANCIA
Empleada para prevenir las operaciones erradas de los relevadores diferenciales debidas a la posible
saturación de los TC para fallas externas al transformador.
Este arreglo hace posible que las falsas corrientes producidas por la saturación de un TC, tiendan a circular
por las bobinas de los TC y no por el relevador, puesto que la impedancia del relevador es mucho mayor
que la de las bobinas de los TC.
• La protección diferencial de alta impedancia exige las siguientes condiciones especiales para su máxima
seguridad en la operación
• Todos los TC deben tener la misma relación de transformación, y en lo posible la resistencia secundaria
muy similar
• La resistencia de todo el cableado secundario debe ser lo más baja posible

PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES DE PUESTA A TIERRA
Existen dos tipos de transformadores de puesta a tierra. El transformador delta estrella y el transformador
Zig Zag
El neutro de cualquiera de estos tipos puede ponerse a tierra a través de una impedancia limitadora de
corriente .
Se supone que ni la carga ni la fuente de generación están conectadas al devanado delta del transformador
delta
estrella y que el transformador Zig Zag no tiene otro devanado conectado a la carga o a la fuente de
generación.
El transformador de puesta a tierra se utiliza para dar camino a todas las corrientes de secuencia cero en
sistemas no aterrizados Para protegerlos, se utilizan relevadores de sobrecorriente 51 la conexión de los TC
que alimentan los relevadores se realiza en delta para atrapar allí las corrientes de secuencia cero que
circulan en condiciones normales.

LA PROTECCION BUCHHOLZ
Se emplea en la protección de transformadores de potencia que tienen tanque conservador .Esta
protección opera contra fallas internas con gran rapidez en el caso de ser severas, es muy sensible a fallas
incipientes que tienen inicialmente un desprendimiento de gas estos relevadores actúan como trampas de
gases entre el tanque principal y el tanque conservador y detectan el flujo inverso de aceite Normalmente
los tiempos de enganche de estos relevadores fluctúan entre 0 05 y 0 1 s. Se puede considerar el elemento
más útil en la protección de transformadores.

El relevador se compone de uno o dos flotadores colocados sobre un pivote metálico y encerrados en un
pequeño recipiente hermético colocado en la tubería que conduce el gas desde el tanque principal hasta el
tanque conservador Cada flotador dispone de un interruptor de mercurio para detectar cambios en su
posición.
Al producir gases por la ruptura lenta del aislamiento, suben a través del aceite y se acumulan en el tanque
conservador, el nivel de aceite baja y los flotadores del relevador también bajan y operan el interruptor de
mercurio para sonar una alarma Si la falla es muy severa (como falla entre devanados), el arco produce gas
con alta velocidad de escape que al pasar por el relevador acciona el mecanismo causando disparo
mediante el cierre de los contactos sujetos a este.

La actuación del relevador Buchholz debe ser considerada un incidente importante y en consecuencia
actuar con celeridad antes de que se produzcan daños irreparables El análisis de la composición de los
gases indicará el origen y orientará las actuaciones posteriores.
Para que la toma sea representativa conviene que el transformador se halle en servicio, adoptando las
necesarias
medidas de seguridad y conservando las distancias a las partes activas

RELEVADOR DE PRESIÓN SUBITA
Estos relevadores son dispositivos especializados de protección para detectar problemas del transformador
(y también de reactores), detectando cambios súbitos en la presión del transformador o gas debidas a fallas
internas El relevador de presión súbita tiene una característica de tiempo inverso .Este opera más rápido
para fallas severas, además puede ser usado en conjunto con otros tipos de transformadores de potencia o
dispositivos de protección de reactores en derivación Pueden ser usados en cualquier tipo de
transformador .
PROTECCIÓN DEL TANQUE A TIERRA
Usada cuando el tanque del transformador está aislado de tierra. Se coloca un TC entre el tanque y la tierra
conectando un relevador de sobrecorriente 50 o 51en el secundario del TC

PROTECCION DE RESPALDO CONTRA FALLAS EXTERNAS
Los transformadores de potencia están expuestos constantemente a daños, ya que ellos son los encargados
de modificar los niveles de tensión según se requiera, es por ello que en la actualidad se están
implementado la aplicación de fusibles en los conductores de entrada a los centros de carga de las
viviendas, edificios, etc.

El fusible a nivel residencial tiene la particularidad de fundirse si la corriente sufre un aumento que
sobrepase los 63 Amp, esto es una manera de proteger los transformadores por sobrecorriente cuando
existe tal fenómeno en la carga. por otro lado, es importante hacer énfasis que el objetivo de protección en
un SEP, es localizar las corrientes y/o tensiones anormales y ordenar la desconexión de las secciones
anormales del sistema.
Por otro lado, se hace énfasis que a más de las protecciones principales que tienen los transformadores para
garantizar su óptimo funcionamiento, se requieren utilizar ciertos elementos que se denominan
protecciones de respaldo el cual tiene la función de proteger aquel transformador si en caso desconocido
las protecciones principales no actúan ante alguna falla externa que pueda existir en el sistema.

La protección de respaldo se basa en relés de sobre corriente, los cuales se deben energizar por medio de
transformadores de corriente.
Comúnmente, se utilizan relés separados para fallas a tierra. Sin embargo, estos relés se deben ubicar en el
lado de baja tensión en el caso que la fuente de alimentación a la falla esté del lado de alta tensión, por lo
cual no afectará a las corrientes de energización en vacío, por ende, las corrientes ya antes mencionadas no
influirán en la determinación de los ajustes de la corriente más baja de operación y tampoco los tiempos de
los mismos.

Los elementos que deben utilizarse para proteger al transformador contra fallas externas, se ejemplifica un
banco de transformadores protegido en forma diferencial el cual debe tener relevadores de sobrecorriente
de tiempo inverso, el cual se encuentre energizados por varios transformadores de corriente que al estar
complementado con los relevadores diferenciales, puede disparar los interruptores del lado de la falla
cuando persiste por mucho tiempo la falla externa, esta condición es muy importante para proteger el
transformador.

PROTECCION DE RESPALDO REMOTO
Este tipo de protección se utiliza en el caso de que una falla no sea despejada por la protección principal,
debe ser despejada por la protección de respaldo. Si la protección de respaldo fuera del tipo unitario, o sea,
restringida a la misma sección del sistema eléctrico, podría aún operar si el desperfecto se encontrara en la
protección principal misma o en los transformadores de corriente o de potencial que la abastecen, pero
resultaría inefectiva si el desperfecto original fuera en la batería o en el interruptor.

PROTECCION DE RESPALDO LOCAL
El principio de esta protección consiste en que si una falla continua luego de que la protección principal ha
operado, o, en el caso de un desperfecto de la protección principal, después que haya transcurrido un
tiempo suficiente como para que la principal haya operado, entonces de efectúa la acción en la misma
ubicación para despejar la falla.
El relé de tiempo posee un ajuste tal que posibilita que la protección principal opere y abra el interruptor
respectivo

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