¿Cuáles son las causas de la corriente de desequilibrio en los transformadores?

La protección diferencial es la protección principal del transformador. Generalmente, los transformadores con una capacidad superior a 6300 kVA deben estar equipados con protección diferencial longitudinal, que se basa en el principio de la corriente circulante. Los transformadores de dos devanados tienen transformadores de corriente (TC) instalados en ambos extremos. En condiciones ideales, cuando las polaridades idénticas de los TC en ambos extremos están en la misma dirección, se conectan los terminales secundarios de polaridad opuesta (si los terminales de misma polaridad se colocan cerca del lado de la barra colectora, los lados secundarios deben conectarse con la misma polaridad). La bobina de trabajo del relé diferencial se conecta en paralelo a los terminales secundarios de los TC. En operación normal o durante una falla externa, las corrientes secundarias en ambos lados son iguales en magnitud y opuestas en dirección, por lo que la corriente que pasa por el relé es cero y el relé diferencial no actúa. Sin embargo, en la práctica, debido a la existencia de varios tipos de corriente de desequilibrio, la configuración de la protección diferencial debe evitar la corriente de desequilibrio que fluye a través del circuito diferencial. Por lo tanto, es necesario analizar las causas de la corriente de desequilibrio en la protección diferencial y sus métodos de eliminación.

El fabricante de transformadores Qingdao Hengfengyou analiza las principales causas de la corriente de desequilibrio en los transformadores:

1. Causas de la corriente de desequilibrio:

Las causas principales de la corriente de desequilibrio son:
(1) La corriente de irrupción (inrush) del transformador.
(2) La diferencia en la fase de la corriente entre los dos lados del transformador.
(3) La diferencia entre la relación de transformación calculada y la real.
(4) Los diferentes tipos de transformadores de corriente (TC) en ambos lados.
(5) El ajuste de tomas (derivaciones) del transformador bajo carga.

2. Impacto en la protección diferencial y métodos de mitigación:

(1) Corriente de desequilibrio causada por la corriente de irrupción del transformador

La corriente de irrupción fluye solo a través de un lado del transformador y, por lo tanto, no se equilibra cuando se refleja en el circuito diferencial a través de los TC. En condiciones normales, esta corriente es pequeña, generalmente no supera del 2% al 10% de la corriente nominal. Durante fallas externas, como el voltaje disminuye, la corriente de irrupción se reduce y su impacto es menor. Sin embargo, cuando el transformador se energiza en vacío o después de la eliminación de una falla externa y la restauración del voltaje, el núcleo del transformador puede saturarse severamente, haciendo que la corriente de excitación aumente drásticamente, alcanzando de 5 a 10 veces la corriente nominal (generalmente llamada corriente de irrupción). La corriente de irrupción contiene un alto componente no sinusoidal y componentes de armónicos (principalmente el segundo armónico). No es una onda sinusoidal, sino una onda puntiaguda, a menudo sesgada hacia un lado del eje de tiempo. La magnitud y la velocidad de decaimiento de la corriente de irrupción están relacionadas con el instante de cierre del interruptor, la fase del voltaje aplicado, la magnitud y dirección del flujo magnético remanente en el núcleo, el tamaño del núcleo, la impedancia del circuito, la capacidad del transformador y las propiedades del núcleo. Por ejemplo, si el cierre ocurre justo en el valor máximo instantáneo del voltaje, no aparecerá la corriente de irrupción, solo la corriente de excitación normal. Para transformadores trifásicos, independientemente del instante de cierre, al menos dos fases presentarán corrientes de irrupción de diferentes magnitudes.

• Métodos para reducir el impacto de la corriente de irrupción en la protección diferencial:

  • Uso de relés con transformadores saturables de rápida saturación (ej. tipo BCH): Este es un método ampliamente utilizado en China. Durante una falla externa, la máxima corriente de desequilibrio que contiene componentes no periódicos puede saturar rápidamente el núcleo del transformador saturable, impidiendo que la corriente de desequilibrio se transfiera al bobinado diferencial del relé, asegurando que la protección diferencial no opere incorrectamente. Durante una falla interna, aunque también hay componentes no periódicos en el bobinado primario del transformador saturable, decaen rápidamente (generalmente en 2 ciclos), luego solo pasa corriente de cortocircuito periódica, permitiendo que el relé actúe con sensibilidad.

  • Detección basada en la forma de onda: Distingue entre la corriente de cortocircuito y la corriente de irrupción basándose en la duración de la forma de onda rectificada por encima del valor de ajuste para determinar si es una falla interna o irrupción.

  • Frenado por segundo armónico: La protección diferencial utiliza el segundo armónico contenido en la corriente de irrupción para bloquearse (frenarse) durante la energización en vacío o la recuperación de voltaje después de una falla externa. Durante una falla interna, utiliza un circuito de frenado proporcional para evitar la corriente de desequilibrio.

(2) Corriente de desequilibrio causada por la diferencia de fase de corriente en ambos lados del transformador

Dado que los transformadores suelen utilizar la conexión Y, d11, la fase de la corriente entre ambos lados difiere en 30 grados. Incluso si las corrientes en ambos lados son iguales en magnitud, aparecerá una corriente de desequilibrio en el relé diferencial.

• Método de eliminación - Compensación de fase: Para eliminar este efecto, se utiliza comúnmente la compensación de fase. Generalmente, los tres TC del lado en estrella (Y) del transformador se conectan en triángulo (Δ), y los tres TC del lado en triángulo (Δ) del transformador se conectan en estrella (Y). Con la conexión adecuada, se puede corregir la fase de las corrientes secundarias. Después de la compensación de fase, la corriente en la rama diferencial del lado con TC en triángulo aumenta en un factor de √3. Para garantizar que no haya corriente en el circuito diferencial en condiciones normales o de falla externa, la relación de transformación de los TC en ese lado debe aumentarse en un factor de √3 (en protecciones digitales, esto se balancea mediante coeficientes de balance en el software) para reducir la corriente secundaria e igualarla a la del otro lado.

(3) Corriente de desequilibrio causada por la diferencia entre la relación de transformación calculada y la real

Dado que los TC a ambos lados se seleccionan según catálogos con relaciones estándar, y la relación de transformación del transformador es fija, es difícil que las relaciones de los TC coincidan exactamente con la del transformador, resultando en una corriente a través del circuito diferencial.

• Método de eliminación - Uso de bobinas de balance (en relés electromecánicos): Para eliminar esta corriente de desequilibrio, se utilizan relés diferenciales con núcleo de saturación rápida que incorporan bobinas de balance. Normalmente, la bobina de balance se conecta al lado con menor corriente de protección. La bobina de balance y la bobina diferencial se enrollan en la misma columna central del relé. Seleccionando adecuadamente el número de vueltas de la bobina de balance, la fuerza magnetomotriz (FMM) que genera puede cancelar la FMM producida por la corriente de diferencia en la bobina diferencial. Así, no hay flujo en el núcleo y el relé no actúa. Sin embargo, en la práctica, las vueltas de balance solo se pueden ajustar en números enteros, por lo que queda una pequeña corriente de desequilibrio residual que debe considerarse en los cálculos de ajuste.

(4) Corriente de desequilibrio causada por el uso de diferentes tipos de transformadores de corriente en ambos lados

Debido a que los TC en ambos lados pueden ser de tipos diferentes, sus características de saturación y corrientes de excitación (referidas al mismo lado) también difieren, lo que genera una corriente de desequilibrio mayor durante fallas externas.

• Método de mitigación: Se debe utilizar un factor de corrección por distinto tipo (coeficiente de similitud) para los TC y aumentar adecuadamente la corriente de operación de la protección diferencial.

(5) Corriente de desequilibrio causada por el ajuste de tomas bajo carga del transformador

Ajustar las tomas bajo carga es un método común para regular el voltaje en sistemas de potencia, cambiando efectivamente la relación de transformación del transformador. Si la protección diferencial se ajustó para una relación específica (usando, por ejemplo, bobinas de balance), cualquier cambio en la toma creará una nueva corriente de desequilibrio.

• Método de mitigación: No es posible reajustar las bobinas de balance continuamente, por lo que para evitar el impacto de esta corriente de desequilibrio, se debe considerar al ajustar la corriente de operación del relé, generalmente incrementando el valor de ajuste.

En resumen, las corrientes de desequilibrio causadas por la diferencia de fase y por la diferencia entre las relaciones de transformación calculada y real pueden minimizarse seleccionando adecuadamente la conexión y relación de los TC secundarios y utilizando bobinas de balance. Sin embargo, las corrientes de desequilibrio debidas a la corriente de irrupción, a los diferentes tipos de TC y al ajuste de tomas bajo carga son inevitables. Por lo tanto, la protección diferencial longitudinal del transformador debe estar configurada para evitar el impacto de estas corrientes de desequilibrio. Cuanto menor sea la corriente de desequilibrio, mayor será la sensibilidad de la protección, asegurando así una operación segura y confiable del transformador.

Estas son las causas de la corriente de desequilibrio en los transformadores. Si aún no lo comprende, puede llamar al +86 15853252696 o contactar por correo electrónico a hfy@hengfengyou.com para obtener más información.