Porque y donde ocurren las fallas mas comunes de los transformadores

Los fallos internos en los transformadores comúnmente no son facilites de detectar, por ello muestro en este articulo cuales son los mas comunes y como detectarlos o protegernos de un daño mayor.

Fallos entre espiras:

Los problemas entre espiras de bobinado de media tensión son el modo de fallo más frecuente, así como es el más difícil de detectar.

Resultan del deterioro localizado del aislamiento del conductor, debido a estres térmico o dieléctrico. El efecto inicial se limita a un ligero aumento de la corriente primaria, debido a la modificación de la relación de transformación, por un lado, y la aparición de un pequeño cortocircuito sobre el devanado en cuestión.

Este pequeño defecto se comporta como un devanado secundario y es el asiento de una corriente limitada únicamente por su propia impedancia y la resistencia en el punto de falla (Ver figura 1).

De acuerdo con la corriente que pasa por esta espira, la progresión de la falla será más o menos rápida. En el caso de corrientes altas, el aumento de temperatura local conducirá al deterioro de las espirar vecinas y la falla se extenderá rápidamente.

La magnitud de la corriente corresponde aproximadamente a cien veces la corriente nominal o alrededor de 1 kA para el devanado primario de un transformador de 400 kVA con u voltaje por debajo de 20 kV (CIRED 1991 / 1.14).

Fallos entre espiras-min
Figura 1. Fallos entre espiras

En cualquier caso, la presencia de arcos locales dará lugar a una liberación gaseosa, independientemente de que el transformador sea de tipo aceite o seco. Esta liberación puede conducir a un gran aumento de la presión, hasta que parte de la estructura se rompe (tanque o aislamiento sólido).

Si el fallo provoca una corriente primaria baja, los fenómenos pueden ser lentos y difíciles de detectar mediante el control de la corriente de alimentación.

Las pruebas de laboratorio realizadas en transformadores en aceite han mostrado una corriente de entre 1 y 6 veces la corriente nominal, acompañada de grandes liberaciones de gases, para fallas que afectan hasta el 8% de las vueltas primarias (CIRED 1991 / 1.14).

Esta es la razón por la que el control de las emisiones gaseosas o la presión se puede utilizar de forma complementaria a los dispositivos de protección basados ​​en la medición de la corriente.

Fallas entre los devanados:

Devanados de media tensión (MT):

Las fallas entre los devanados de MT son raras, pero pueden causar corrientes de falla altas, hasta la corriente de cortocircuito de la red en caso de fallo en los terminales, con efectos significativos.

Ciertas ubicaciones en particular, tales como una falla entre los devanados próximos a las conexiones de punto neutro de un acoplamiento en estrella, son similares a una falla entre las espiras, puesto que los puntos que entran en contacto no tienen tensiones muy diferentes.

Devanados de baja tensión (BT):

Las fallas entre los devanados en BT son excepcionales ya que estos devanados están situados más cerca del núcleo magnético y están rodeados por los devanados MT.

En el caso de múltiples devanados BT en la misma columna de núcleo magnético (por ejemplo, acoplamiento en zig-zag), existe la posibilidad de un fallo. En cualquier caso, la corriente de fallo permanece menor que la de un cortocircuito a través de los terminales secundarios, pero la progresión puede ser rápida debido a la presencia de un arco de intensidad significativa.

Media tensión (MT)/Baja tensión (BT):

Un fallo entre los devanados puede también provocar un contacto entre el primario y el secundario, con la aparición de un potencial peligroso en la red de baja tensión.

El riesgo para los equipos y las personas depende de la disposición del neutro de las dos redes (Ver Figura 2). En determinadas aplicaciones, para una seguridad mejorada en el devanado de baja tensión, el uso de un blindaje conectado a tierra, situado entre los devanados primario y secundario, permite eliminar esta hipótesis de fallo favoreciendo fallas de fase-tierra. En este caso, las conexiones de puesta a tierra del bastidor del transformador y del neutro de BT son diferentes, evitando así un potencial de red de BT  que aumente con respecto a la tierra.

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Figura 2. Disposición de neutro

Fallos a tierra y la influencia de la puesta a tierra del neutro:

Defectos entre arrollamientos de MT y la tierra con mayor frecuencia se originan a partir de una ruptura del aislamiento después de una sobretensión . Sin embargo también pueden ser el resultado de defectos de tipo mecánico o la progresión de un fallo eléctrico como se ve anteriormente.

Las averías entre los devanados de MT y la tierra se originan más frecuentemente de una rotura en el aislamiento después de una sobretensión. Sin embargo, también pueden ser el resultado de fallas de tipo mecánico o la progresión de un fallo eléctrico tal como se ha visto anteriormente.

Las características de un fallo de puesta a tierra, así como la capacidad de detectarlo, dependen de la disposición de puesta a tierra de la red de alimentación y de la ubicación del fallo con respecto a la conexión del neutro en el transformador.

Neutro conectado a tierra mediante una impedancia:

En el caso de un neutro de media tensión no distribuido, conectado a tierra por una impedancia de algún tipo, el fallo hará que una corriente a tierra aparezca variando en función de la impedancia de neutro y la posición del fallo en el devanado.

En el caso de una corriente de falla muy baja, existe el riesgo de un aumento lento de la presión similar al de las fallas entre las vueltas. La detección arbitrariamente fina de la corriente sobre la tierra sería un medio eficaz de protección; No obstante, tal protección no siempre es técnica y / o económicamente alcanzable.

Puesta a tierra mediante Bobina de Petersen:

En el caso de una red neutra sintonizada (puesta a tierra por una bobina de Petersen), un fallo de aislamiento en un transformador lleno de aceite será del tipo de autoextinguible recurrente. El bajo valor de la corriente de falla permite su extinción espontánea en el aceite y la reaparición progresiva de la tensión, característica de una red neutra sintonizada, que conduce a otro desglose varios cientos de milisegundos más tarde. La frecuencia de los fenómenos aumentará si se produce un deterioro progresivo por interrupciones sucesivas que conducen a una disminución de la resistencia dieléctrica.

Neutro conectado directamente a tierra:

En el caso de una red neutra conectada directamente a la tierra y distribuida (red de 4 hilos, de tipo norteamericano), la presencia de corriente de neutro es normal, debido a la existencia de cargas monofásicas y la aparición de una falla aumentará esta corriente (en función de la impedancia de la sección de bobinado que no este en cortocircuito).

Por lo tanto, la situación es análoga con el autotransformador cortocircuitado. La corriente de falla siempre será significativa y requerirá una respuesta rápida o riesgo que puede resultar en una explosión. Sin embargo, los dispositivos de protección de la red no permiten ver una corriente neutra grande (hasta el 40% de la corriente nominal de la línea).

Por tanto, es la protección del transformador la que debe ser capaz de actuar. Una proporción significativa de las averías se refieren a la estructura del transformador, a continuación, la puesta a tierra contra fallas es muy útil. La corriente a tierra es cero bajo condiciones normales (excepto en redes con una disposición neutra puesta a tierra y distribuida), dicha protección puede ajustarse con un umbral bajo, que puede ser 10% de la corriente nominal con un retardo de 100 ms, en los casos con transformadores de corriente y unos pocos amperios en los casos que utilizan un sensor de corriente residual.

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