Cuaderno Técnico nº 192

Cuaderno Técnico nº 192

Protección de los transformadores delos centros de transformación MT/BT

Didier Fulchiron

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de lasredes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

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Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de lasconsecuencias de la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 192 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico n o 192

Protección de los transformadores delos centros de transformación MT/BT

Trad.: J.M. Giró

Original francés: abril 1998

Versión española: setiembre 2001

Didier FULCHIRON

Diplomado por la Ecole Supérieure d’Electricité en1980, entró en el servicio técnico de Merlin Gerin en1981, en el centro de ensayos de gran potencia.Actualmente, en la División de MT, emplea susconocimientos en aplicaciones de distribución públicapara su valoración, prescripción y normalización.

Cuaderno Técnico Schneider n° 192 / p. 4

Terminología

Corriente de transición:

Valor de la corriente trifásica simétrica para laque los fusibles y el interruptor intercambian lafunción de corte (en un combinado o conjuntointerruptor-fusibles) (CEI 420).

Corriente de intersección:

Valor de la corriente que corresponde a laintersección de las características tiempo-corriente de dos dispositivos de proteccióncontra corriente máxima (VEI 441-17-16).

DGPT:

Dispositivo que se puede utilizar entransformadores sumergidos con llenado total yque agrupa la supervisión de desprendimiento degases, presión y temperatura.

Factor de simultaneidad:

No coincidencia técnica o temporal en lautilización de una red que permite establecer unapotencia máxima de utilización conjunta muyinferior a la suma de las potencias máximasindividuales.

Onda cortada:

Parte de una onda de sobretensión,generalmente de rayo, que continúapropagándose después del cebado en el aire(explosor o contorneo de un aislador). Resultamuy agresiva para ciertos equipos, por ser muyrápido el frente de bajada producido en el cebado.


Protección de los transformadores de loscentros de transformación MT/BT

La elección de las protecciones de los transformadores MT/BT puede parecersimple porque normalmente su determinación es fruto de las costumbrestradicionales de los diseñadores de redes eléctricas e incluso de exigencias yconsideraciones técnico-económicas. De hecho, la elección se hace en función dela tecnología de los transformadores, de los tipos ce cargas que alimentan y, sobretodo, del entorno en el que trabajan.

Este Cuaderno Técnico enumera los esfuerzos a los que están sometidos lostransformadores durante su uso y valora sus consecuencias, explicando lasdiversas protecciones que pueden utilizarse. El desarrollo del mismo se ha tenidoque simplificar necesariamente debido a los muchos criterios y soluciones queexisten. Sin embargo, el técnico eléctrico encontrará en este cuaderno lasprincipales informaciones para hacer una buena elección.

1 Introducción 1.1 Los transformadores MT/BT y la política de protección p. 6

1.2 Repaso de los transformadores, tecnología y utilización p. 7

2 Esfuerzos de explotación 2.1 Conexión y desconexión p. 10y tipos de defectos 2.2 Sobretensiones externas p. 10

2.3 Sobrecargas p. 12

2.4 Cortocircuitos en la red BT p. 13

2.5 Evolución de los defectos internos p. 14

2.6 Defectos que dependen de la tecnología p. 16

3 Protección contra sobretensiones 3.1 Generalidades p. 18

3.2 Explosores y pararrayos p. 18

4 Protección contra sobrecargas 4.1 Protección midiendo la intensidad de corriente p. 20

4.2 Protección midiendo la temperatura p. 21

5 Protección mediante fusibles MT y 5.1 Características de los fusibles MT p. 22

combinados interruptor-fusibles 5.2 Límites de los fusibles p. 23

5.3 Utilización de un combinado interruptor-fusibles p. 25

6 Protección mediante interruptor 6.1 Criterios de elección de una curva de disparo p. 27automático MT y sus órganos 6.2 Ventajas de una protección de tierra p. 29

de disparo asociados

6.3 Protecciones autónomas: Time Fuse Links (TFL) y relés de protección p. 30

6.4 Las protecciones con fuente de alimentación auxiliar: p. 31DGTP, sondas y relés

7 Conclusión p. 33

Anexo 1: Reglas de selección de un fusible para protección de transformadores p. 35

Anexo 2: Cálculo de las corrientes de transición y de inserción de un conjunto interruptor-fusibles p. 37

Bibliografía p. 39

Diagrama lógico de situaciones, criterios y soluciones p. 40

Índice


La razón de ser de los transformadoresEn las redes de distribución, los transformadorespermiten:

n minimizar las pérdidas de energía por efectoJoule; elevar la tensión un 10% supone reducirestas pérdidas en una razón de 100:

2consumidaP

Pérdidas = RU

,

n minimizar las caídas de tensión resistivas (R)y reactivas (X) de la energía que se transporta(U. I .cos φ ), puesto que:(∆U ≈ R.I .cos φ + X.I .sen φ),

n potencialmente, asegurar la separacióngalvánica entre redes de la misma tensión (límitede propiedad, cambio de régimen de neutro,...).

Aunque es poco frecuente cortar voluntariamentela distribución de energía, sin embargo a veceses necesario «maniobrar» los transformadoresen condiciones normales de explotación, porejemplo:

n para reconfigurar la red,

n para operaciones de mantenimiento o deseguridad,

n para responder a una punta de consumo,

n para poner en funcionamiento o parar unproceso.

Estas operaciones se hacen con eltransformador sin carga pudiendo ésta cambiarnotablemente las condiciones de maniobra y losfenómenos eléctricos transitorios resultantes.Los transformadores de distribución sonmáquinas pasivas de una gran fiabilidad cuyaduración es de varias decenas de años. Undistribuidor noruego, sobre un parque de 5 000transformadores seguidos durante 4 años, hacifrado la tasa anual de incidentes en el 0,09%(9 por cada 10 000), incluidas todas las causas.Para redes subterráneas, la tasa de incidenteses siempre inferior al 0,2%, pudiendo llegar al0,5% en ciertas redes aéreas. Normalmente, lacausa de la sustitución es la obsolescencia,motivada por el cambio de las necesidades depotencia o de tensión. Aunque los defectos en

1 Introducción

1.1 Los transformadores MT/BT y la política de protección

servicio son muy raros, se han de utilizarprotecciones por razones de seguridad de losbienes y de las personas y para asegurar lacontinuidad del servicio.

Esfuerzos sufridos por los transformadoresLos transformadores están sometidos anumerosas sobrecargas eléctricas externas quepueden provenir tanto de la red aguas arribacomo aguas abajo. Las consecuencias de unposible fallo pueden ser muy graves tanto por sucoste como en cuanto a las pérdidas deexplotación. Por tanto, los transformadores, poruna parte, deben de estar protegidos contra lasagresiones de origen externo y por otra, en casode defecto interno, deben de poderse separarde la red.

El término «protección del transformador» muyfrecuentemente se asocia a la acción dedesconexión de la red, incluso cuando ya estáfallando, pudiendo obedecer tanto a medidaspreventivas (sobretensiones, defecto aguasabajo, sobrecargas, temperatura) como amedidas curativas de separación de untransformador con defecto.

Política de protecciónEl diseñador de la red es el responsable dedefinir las medidas de protección que hay queaplicar en cada transformador, en función de loscriterios de continuidad y de calidad del servicio,de costes de inversión y explotación, deseguridad de bienes y de personas así como delnivel de riesgo admisible. Las solucionesaplicadas son siempre un compromiso entreestos diversos criterios, siendo muy importanteque el compromiso de equilibrio adoptado entreventajas e inconvenientes esté perfectamenteidentificado. Por ejemplo, un mismo explotador odistribuidor de energía puede aplicar solucionesmuy diferentes en una parte de la red, urbana orural, puesto que los criterios de potenciaunitaria, de coste, de consecuencias en caso deincidente, no son los mismos.

La gran fiabilidad de los transformadores es unelemento determinante en la elección que hacenlos distribuidores en cuanto al coste unitario delos órganos de protección que pueden asociarse.


Esto explica, por ejemplo, que lo que se busca alproteger un transformador, más que salvaguardarel material, es limitar las consecuencias de undefecto.

Ciertos criterios usuales de elección, aunque nosistemáticos, tienen precisamente este sentido:

n la «protección» definida exclusivamente como«prevención contra el riesgo de explosión ysalvaguarda de la red MT» paratransformadores conectados a redes dedistribución pública,

n la vigilancia de la temperatura de lostransformadores de las instalacionesindustriales o terciarias en las que se puedenutilizar sistemas de enganche/desenganche oconexión/desconexión,

n la no supervisión de la sobrecarga de lostransformadores de distribución pública; por una

parte, la diversidad de clientes hace que estasituación de sobrecarga conjunta sea pocoprobable y, por otra, sólo pueden preverse losdesenganches en caso de defecto o incidente. Laprotección contra sobrecargas es necesaria si eltransformador alimenta a un grupo de abonadoshomogéneo puesto que no hay diversificación deactuaciones.

Dado que todas estas posibilidades de elecciónson siempre el resultado de un compromisotécnico-económico y de una orientación política,es imposible proponer una solución satisfactoriapara todos los casos. Por tanto, después derepasar los transformadores y suscaracterísticas, analizaremos los esfuerzos alos que se ven sometidos y los diversos mediosde protección. La solución que se apliquedependerá en cada caso del criterio deldiseñador de la red.

1.2 Repaso de los transformadores, tecnología y utilización

La tecnología utilizada (transformadores secos osumergidos) influye en ciertas características, enlas protecciones que hay que instalar y en losposibles emplazamientos de instalación. Elconocimiento de las características eléctricas ytérmicas de los transformadores es necesariopara conocer su comportamiento y su resistenciaa los esfuerzos, tanto en situación de explotaciónnormal como de defecto.

Tecnologías

n Los transformadores con dieléctrico líquidosuelen ser de llenado total.

Estos transformadores son adecuados para:

o centros de transformación no supervisados(mantenimiento nulo),

o ambientes severos si el revestimiento de lacuba está adaptado (partes activas protegidas),

o aplicaciones con consumo cíclico (buenainercia térmica).

Pero por el contrario, la presencia de undieléctrico líquido tiene ciertos riesgos:

o riesgo de polución de la capa freática (si hayfuga de dieléctrico); de ahí la obligación, enciertos casos, de prever un foso de retención.

o riesgo de incendio (figura 1 ), y de ahí laprohibición de su utilización en ciertos edificios.

Estos riesgos se han tenido en cuenta en laredacción de los diferentes textosreglamentarios y normas y reglamentos que se

n Foso de retención.

n Distancias suficientemente largas o pantallaspara evitar la propagación del fuego.

n Dispositivos para obtener la extinciónespontánea.

n Dispositivos de desconexión automáticaactivados por el desprendimiento de gases.

n Dispositivos de desconexión automáticaactivados por sobretemperatura.

n Dispositivos de desconexión y extinciónautomática activados al detectarse el fuego.

n Cierre automático de las puertas cortafuegos.

Fig. 1: Protecciones contra incendio que dependen dela utilización de transformadores con dieléctrico líquido.

refieren a las condiciones de instalación o a laslimitaciones de su uso.

n Los transformadores «secos» son mejorespara:

o los locales con entorno controlado: polvo -humedad - temperatura....; hay que limpiarlos yquitarles el polvo periódicamente,

o los inmuebles, especialmente si son edificiosde gran altura, porque pueden tener un buencomportamiento frente al fuego (por ejemplo,clase 1, según NF C 52-726) y respetar loscriterios de no toxicidad de los humos.


Características

Los diversos valores asignados están definidosen la norma CEI 76 (transformadores depotencia). Ciertas características eléctricas sondeterminantes para conocer la resistencia a losesfuerzos normales de explotación y a lassituaciones de defecto y sirven también paraelegir y ajustar las protecciones.

n Tensión asignada del primario (Ur)

La aplicación de la norma CEI 71 (coordinacióndel aislamiento) permite elegir la tensión deaislamiento y la tensión dieléctrica a lasdescargas de rayo (figura 2 ).

n Tensión de cortocircuito (Ucc)

Permite calcular la intensidad de corrienteabsorbida por el primario cuando secortocircuitan los bornes del secundario,despreciando la impedancia de la fuente:

ncc

cc

100.

U %= I

I

Permite también conocer la impedancia deltransformador, necesaria para el cálculo de laintensidad de cortocircuito cuando éste seproduce en la distribución BT:

cc r

r

U %UZ .

100=

I

Las tensiones de cortocircuito estánnormalizadas y son función de la potencia deltransformador: 4 a 6% para transformadoresMT/BT (figura 3 ).

n Corriente de enganche

En condiciones especialmente desfavorables(transformador en vacío, magnetismo remanenteimportante y enganche en el cero de tensión conel primer semiperíodo del mismo signo que el delmagnetismo remanente) se produce una gransaturación del núcleo magnético, abarcando elarrollamiento hasta tres veces su flujo nominal.Debido a esta saturación, la inductanciaaparente de la bobina cae de maneraimportante, dando un comportamiento similar alde una bobina en el aire (aumento del flujo defuga): entonces la intensidad de corriente que setiene en el arrollamiento puede alcanzar valoresde cresta muy elevados, hasta una decena deveces el pico de la corriente asignada, con unaforma de onda de corriente muy deformadadebido al fenómeno de saturación (figura 4 ).

Estos fenómenos de enganche se amortiguancon una constante de tiempo adecuada deltransformador, que depende de sus

características magnéticas y del flujo de fuga. Laconstante de tiempo es del orden de algunascentenas de milisegundo para un transformadorde distribución (en este mismo estudio, másadelante, se presenta un cuadro de valoresnuméricos).

El conocimiento de la corriente de enganche esnecesario para elegir y/o ajustar las proteccionescontra cortocircuitos situadas en el primario deltransformador.

n Inercia térmica del transformador

Depende del tipo de transformador (seco o condieléctrico líquido) y de su potencia. Suconocimiento es útil también para determinar laprotección contra sobrecargas.

El lector que quiera profundizar en elconocimiento de los transformadores(tecnología, características, utilización) puedeleer el Cuaderno Técnico correspondiente.

Potencia asignada Ucc según

Sn en kVA CEI 76 H426.S1 (Europa)

Sn < 50 4% no especificada

50 < Sn < 630 4% 4%

630 < Sn 1250 5% 6%

1250 < Sn < 2500 6,25% 6%

Fig. 3: Tensiones de cortocircuito normalizadas de lostransformadores de distribución.

Valor de aislamiento 17,5 24 36según CEI 71

Tensión más alta 17,5 24 36para el material

Tensión dieléctrica a 38 50 70frecuencia industrial 1 min

Tensión dieléctrica a 75 95, 125 145la descarga de rayo ó 95 ó 145 ó 170

Tensión de servicio 12 a 17,5 a 24 ade la red 17,5 24 36

Nota: la tensión dieléctrica a las descargas demaniobra no está especificada para valores de menosde 245 kV.

Fig. 2: Valores de aislamiento normalizado.


Fig. 4: Aspecto de las corrientes de conexión con saturación asimétrica.

t

I


2 Esfuerzos de explotación y tipos de defectos

2.1 Conexión y desconexión

Las «maniobras» de un transformador dedistribución se limitan a su conexión ydesconexión. En distribución pública, estasmaniobras son excepcionales y no correspondena las operaciones de explotación normal. Sinembargo, los transformadores se conectan ydesconectan cuando hay que intervenir en losinterruptores automáticos de la red aguas arriba,incluidas las operaciones cíclicas de enganche ydesenganche de redes. Los reenganches rápidospueden provocar la conexión de la tensión con ungran flujo remanente, lo que produce corrientesde conexión especialmente elevadas.

En los procesos industriales o terciarios, este tipode maniobras puede efectuarsesistemáticamente en los procesos de marcha-paro de líneas de producción o de apertura-cierrede las factorías, por ejemplo. Cuando la cargaconectada al transformador está controlada, sepuede elegir hacer la conexión con o sin carga.

Puesto que el amortiguamiento de las corrientesde conexión depende de las característicasmagnéticas del transformador (principalmentesus pérdidas por histéresis), la presencia de una

carga influye poco en su comportamiento. Laconexión se efectúa generalmente con lascargas conectadas. Si éstas presentanfenómenos transitorios, hay que tener en cuentasu comportamiento global. Por ejemplo, en elcaso de motores, la corriente transitoria deltransformador se sobrepone a la corriente dearranque del motor, pero la duración de ambasintensidades de corriente es muy diferente y laimpedancia del transformador estádimensionada para limitar la solicitación deintensidad de corriente durante el proceso dearranque. Debería ser objeto de un estudioespecial el identificar bien estos casos, puestoque no corresponden a las aplicaciones típicasde «distribución».

Las corrientes de enganche obligan a losdispositivos de supervisión (relés y captadoresde corriente asociados, fusibles, ...) a incorporarla noción de temporización para no provocaractuaciones intempestivas. En los apartadoscorrespondientes se volverá a tratar esteaspecto.

2.2 Sobretensiones externas

Origen y severidadLos transformadores de distribución estánsometidos a tensiones transitorias que provienende las redes a las que están conectados. Estassobretensiones tienen su origen o bien en lasdescargas de rayo, directas o inducidas, sobrelas redes MT o BT (Cuaderno Técnico nº 168: Elrayo y las instalaciones eléctricas MT) o bien enla transmisión, a través de estas mismas redesMT de las sobretensiones de maniobrageneradas en la red aguas arriba. Cuando laaparamenta corta la tensión mediante eldispositivo correspondiente situadoinmediatamente aguas arriba, el conjunto formadopor el transformador, el aparato de corte y elcircuito de alimentación produce sobretensionesque provocan sobreesfuerzos dieléctricos en eltransformador. Estos sobreesfuerzos producenun envejecimiento prematuro o incluso puedenproducir, en ese mismo momento, un defecto deaislamiento entre espiras o entre éstas y masa.

Las condiciones más críticas se dan aldesconectar transformadores sin carga medianteórganos de maniobra capaces de interrumpircorrientes de alta frecuencia, tales comointerruptores automáticos en vacío. Por tanto, lautilización de este tipo de aparamenta paraefectuar maniobras de explotación debe dehacerse con determinadas precauciones.

Los criterios de severidad de las sobretensionesque han de soportar los transformadores sonante todo y evidentemente, el valor de cresta,pero también la velocidad de variación de latensión (frente de subida, o de descenso encaso de un cebado próximo «onda cortada»)que lleva a un reparto desigual de los esfuerzosen los arrollamientos provocando el que sesobrepase la rigidez dieléctrica entre espirasaunque el valor de cresta entre los bornes delarrollamiento primario no sobrepase los valoresadmisibles (figura 5 ).


Riesgos de exposición a las sobretensiones

Los riesgos de exposición a las sobretensionesde un transformador dado dependen de suentorno, con condicionantes como éstos:

n alimentación MT aérea o subterránea,

n posible presencia de limitadores desobretensiones (pararrayos o explosores), sudimensionamiento y sus condiciones deinstalación,

n tipo y longitud de las conexiones entre la red yel transformador,

n tipo de aparamenta y condiciones demaniobra,

n cualidad de las tomas de tierra y diseño de lared de masas en el centro de transformación,

n que la red BT sea aérea o subterránea,

n puesta a tierra de la red BT y su posibleconexión a la toma de tierra del centro detransformación.

Las definiciones normalizadas asociadas a lanoción de los niveles de aislamiento no cubrencompletamente los sobreesfuerzos a los quepueden verse sometidos los transformadoresporque ciertos fenómenos que se presentan enlas redes pueden haber sido mal valorados,como los transitorios de frente muy rápido.

En la práctica, la valoración de los riesgos de lassobretensiones resulta muy generalista, porquelo que está en juego en un transformador MT/BTno justifica un estudio excesivo de lacoordinación del aislamiento. Además esprudente que el diseñador de la red eviteespecificar características particulares quepuedan requerir una fabricación especial. Portanto se limita a escoger entre los valores deaislamiento normalizados (figura 2 ).

Fig. 5: Capacidades distribuidas y esfuerzos a lo largo de un arrollamiento.

V%

40

1

Porcentage de una descarga de tensiónvisto por las primeras espiras en funcióndel frente de subida

(µs)

Capacidades a masa

Esquema equivalente

Capacidades entre espiraso entre placas


2.3 Sobrecargas

GeneralidadesLos calentamientos admisibles en las diferentespartes de un transformador son los quecorresponden a un funcionamiento permanente,teniendo en cuenta los valores límite decalentamiento que indican las normas, puestoque éstas ya cuentan con el envejecimientonormal de los aislantes.

Una intensidad de corriente de valor superior alvalor asignado corresponde a un funcionamientocon sobrecarga. Una situación de sobrecargamantenida implica que se sobrepasan loscalentamientos en ciertos puntos deltransformador (según su construcción) y, siademás la temperatura ambiente es elevada,provocará que se sobrepasen las temperaturasadmisibles.

La distinción entre calentamiento y temperaturaes importante porque permite apreciar ydiferenciar si ciertas situaciones de sobrecargason críticas. Por ejemplo, una sobrecargadebida a calentamientos eléctricos en inviernoen una región fría no tendrá las mismasconsecuencias que una sobrecarga similardebida a un defecto del aire acondicionado enverano en un país cálido.

Sin embargo, en condiciones de funcionamientoanormales o excepcionales, se admite elsobrepasar también los límites, aunque sea endetrimento de la esperanza de vida deltransformador. Esto puede ser preferible a unainterrupción del servicio provocada por unaumento transitorio de la potencia solicitada.

Los criterios admisibles de las sobrecargas,como la temperatura ambiente, el funcionamientocon cargas cíclicas, etc., se tratan en elCuaderno Técnico sobre transformadores dedistribución.

Normalmente la sobrecarga es pasajera y no sealcanza el equilibro térmico; la inercia térmicadel transformador, importante para lostransformadores de tipo «sumergido», permitesoportar valores elevados, siguiendo una ley «atiempo inverso» (figura 6 ).

Las corrientes de sobrecarga admisibles sondiferentes según que se produzcan conregímenes equilibrados o no; una supervisiónsimple del umbral de corriente de cada fasepuede resultar innecesariamente penalizadora.

Defectos de aislamiento

n Los defectos internos provocados por lassobretensiones se presentan de estasdiferentes formas:

o defectos de aislamiento entre espiras de unmismo arrollamiento (que es el caso másfrecuente),

o defectos de aislamiento entre arrollamientos,

o defectos de aislamiento entre un determinadoarrollamiento y una parte conductora próxima(núcleo o cuba).

El comportamiento asociado a estas trescategorías de defectos se describe en laspáginas siguientes.

n Los aislamientos externos de lostransformadores sumergidos estánsuficientemente dimensionados y no seobservan fallos dieléctricos externos en estostransformadores, a excepción de ciertostransformadores de redes aéreas en zonasespecialmente polucionadas. Como ya se hadicho, los transformadores secos pueden darlugar a defectos dieléctricos externos en casode suciedad de las superficies aislantes.

5 In

10 In

In

2 In

In

5 s10 s

20 s1 mn

2 mn5 mn

10 mn20 mn

1 h2 h

5 h t

Fig. 6: Orden de magnitud de la capacidad desobrecarga de un transformador sumergido.


Distribución pública

En distribución pública, la sobrecarga no provocageneralmente la desconexión del transformador,puesto que, a corto plazo, se da prioridad a lacontinuidad del servicio. Por otra parte, loscircuitos BT están siempre sobredimensionadosy la sobrecarga del transformador no llega nuncaa ser una sobrecarga de los conductores BT. Sila situación de sobrecarga se repite muyfrecuentemente, el distribuidor se verá obligado asustituir el transformador por otro modelo máspotente. Ciertos distribuidores utilizan maxímetrosde corriente para poder seguir la evolución de lospicos de potencia que ha de soportar cadatransformador.

Distribución industrialEn una instalación industrial, una situación desobrecarga puede ser de corta duración, debidapor ejemplo a un proceso de arranque de lasmáquinas, o susceptible de prolongarse, en elcaso de un funcionamiento defectuoso de lascargas. En estas instalaciones, el cuadro

general BT inmediatamente aguas abajo deltransformador debe de tener un interruptorautomático que proteja contra una situación desobrecarga prolongada. Por tanto, la gestión serealiza en el lado BT, sea por procedimientos dedesconexión para instalaciones complejas, seapor desconexión general si no interviene antesningún elemento de la distribución quedesconecte alguna parte de la instalación.

Distribución en el sector de serviciosEn las instalaciones del sector del «gran sectorterciario» de inmuebles de oficinas, de centroscomerciales, etc., los criterios de continuidad delservicio son importantes. No suele haber cargaspuntuales que tengan procesos de arranque o uncomportamiento similar. En caso de sobrecargadel transformador es necesario proceder a ladesconexión de cargas, lo que puede hacerse acosta de cortar aplicaciones no prioritarias, porejemplo la calefacción o el aire acondicionado. Lafunción de «desconexión» está cada vez másintegrada en la «Gestión Técnica de Edificios».

En caso de defecto aguas abajo deltransformador, la impedancia de los circuitos BTpasa a tener rápidamente una importanciapreponderante en el cálculo de las corrientes decortocircuito (Cuaderno Técnico nº 158: Cálculode corrientes de cortocircuito) y únicamente losdefectos localizados en la zona inmediata deltransformador representan una sobrecargasignificativa para él. Estos defectos sonresueltos o por la protección BT afectada(fusibles o interruptor automático) o por laprotección MT aguas arriba del transformadoren el caso de que el defecto se produzca porencima de la protección lado BT.

Recordemos que un transformador con unatensión de cortocircuito del 5% tiene unaintensidad de cortocircuito 20 In, con una fuentede potencia infinita y un cortocircuito BT deimpedancia nula. La hipótesis de fuente depotencia infinita suele ser realista en distribuciónpública, donde la potencia unitaria de lostransformadores de distribución es bajarespecto a la potencia de cortocircuito de la red

2.4 Cortocircuitos en la red BT

MT. Este no es el caso normal de la industria yel gran sector terciario, donde pasar por alto laimpedancia de la fuente obligaría a sobre-dimensionar inútilmente el diseño de la parte deBT y de las protecciones asociadas.

Para el transformador, el defecto BT próximo alos bornes se traduce en sobrecargas térmicas,que dependen del valor y de la duración deldefecto, y en sobrecargas mecánicas, por losefectos electrodinámicos especialmente en elmomento de producirse el defecto. Lostransformadores están normalmente diseñadospara poder soportar el cortocircuito en bornes(fuente infinita y cortocircuito franco) lo quecorresponde a la peor situación de todas lasprevisibles en explotación. Sin embargo, larepetición de defectos puede tener efectosacumulativos, desplazando los bobinados, porejemplo, y favoreciendo un envejecimientoprematuro. En todos los casos, la duración deldefecto debe de quedar limitada por unaprotección, so pena de provocar la destrucciónpor efectos térmicos.


2.5 Evolución de los defectos internos

Defectos entre espiras

Los defectos entre espiras del arrollamiento MTson el defecto más frecuente y a la vez el másdifícil de detectar. Son fruto de una degradaciónlocal del aislamiento del conductor, porsobreesfuerzos térmicos o dieléctricos. Lamanifestación inmediata se reduce a un pequeñoaumento de la corriente primaria, debido por unaparte a la modificación de la razón detransformación y por otra a la aparición delfenómeno de espiras en cortocircuito en elarrollamiento afectado. Esta espira con defectose comporta como un arrollamiento secundariodando origen a una corriente que sólo estálimitada por su impedancia propia y por laresistencia en el punto del defecto (figura 7 ).

Según la corriente que circule por esta espira, laevolución del defecto será más o menos rápida.En caso de corriente importante el calentamientolocal provocará el deterioro de las espiraspróximas y el defecto se extenderá rápidamente.El orden de magnitud correspondeaproximadamente a 100 veces la corrienteasignada, o sea, aproximadamente 1 kA para elarrollamiento primario de un transformador de400 kVA a 20 kV (CIRED 1991/1.14). En todoslos casos, la presencia de un arco localprovocará un desprendimiento de gases, tanto siel transformador es seco o de inmersión. Estaaparición de gases puede provocar unimportante aumento de la presión, hasta laruptura del elemento (cuba o aislante sólido).

Si el defecto provoca una corriente primaria baja,el fenómeno puede ser lento y difícilmentedetectable supervisando la corriente dealimentación. Hay ensayos de laboratorio contransformadores sumergidos que han descubiertocorrientes primarias entre 1 y 6 veces la corriente

asignada, acompañadas de un desprendimientoimportante de gases con defectos entre espirasque implican hasta un 8% de las espirasprimarias (CIRED 1991/1.14). Por este motivo lavigilancia de la emisión de gases o de la presiónpueden utilizarse complementariamente con lasprotecciones basadas en la medida de laintensidad de corriente.

Defectos entre arrollamientos

n Arrollamientos MT

Los defectos entre arrollamientos MT son pocofrecuentes pero pueden dar lugar a corrientesde defecto elevadas, hasta corrientes decortocircuito de red en casos de defectos junto alos bornes, con manifestaciones muyimportantes. Ciertas localizaciones particulares,como defectos entre arrollamientos próximos alas conexiones de punto neutro de unacoplamiento en estrella, se parecen a undefecto entre espiras porque los puntos queentran en contacto no tienen tensiones muydiferentes.

n Arrollamientos BT

Los defectos entre arrollamientos BT sonexcepcionales porque estos arrollamientosestán situados más cerca del núcleo magnéticoy están rodeados por los arrollamientos MT. Enel caso de varios arrollamientos BT colocadosen la misma columna del circuito magnético(acoplamiento zigzag, por ejemplo) hayposibilidad de defecto. En todos los casos, lacorriente de defecto resulta inferior a la de uncortocircuito en bornes secundarios, pero laevolución del incidente puede ser rápida debidoa la presencia de un arco de intensidadsignificativa.

MTn1 n1 n1-1

n2BT

Rdefecto

Fig. 7: Funcionamiento de un transformador con una espira del primario en cortocircuito


n MT/BT

Un defecto entre arrollamientos puede tambiénhacer que se produzca un contacto entreprimario y secundario, con la aparición de unpotencial peligroso en la red BT (CuadernoTécnico nº 172: Los esquemas de conexión atierra en BT). El riesgo para los equipos ypersonas depende de los regímenes de neutro(o esquemas de conexión a tierra) de las dosredes (figura 8 ). En ciertas aplicaciones, paraprivilegiar la seguridad del arrollamiento demenor tensión, la utilización de una pantallaconectada a masa, colocada entre losarrollamientos primario y secundario, permitesuprimir esta hipótesis de defecto favoreciendopor el contrario los defectos fase-masa. En estecaso, las tomas de tierra de la masa y del neutroBT son diferentes, lo que evita la subida detensión de la red BT respecto a tierra.

Defectos a masa e influencia del régimen deneutro o esquema de conexión a tierraLos defectos entre arrollamientos MT y masatienen su origen más frecuente en la perforacióndel aislamiento como consecuencia de unasobretensión. Sin embargo, como ya se ha visto,también pueden ser consecuencia de defectosde tipo mecánico o debidos a la evolución de undefecto eléctrico. Las características de undefecto a masa, así como las posibilidades dediagnóstico dependen del modo de puesta atierra de la red de alimentación y de la ubicacióndel defecto en el transformador (figura 9 ).

n En el caso de un neutro no distribuido en MT,conectado a tierra por una impedancia, el defectohará aparecer una corriente a tierra función de laimpedancia de neutro y de la posición del defectoen el arrollamiento. En el caso de una corrientede defecto muy baja, se corre el riesgo de que se

produzca una elevación muy lenta de la presión,como en los defectos entre espiras. Unadetección muy sensible de la corriente a tierraserá un medio de protección eficaz, pero, nosiempre es posible realizar, técnica oeconómicamente, una protección de este tipo.

n En el caso de una red con neutro sintonizado(puesta a tierra mediante una bobina dePetersen) el defecto de aislamiento de untransformador de inmersión tendrá un efecto deautoextinción recurrente. El bajo valor de lacorriente de defecto permite su extinciónespontánea en el aceite y la recuperaciónprogresiva de la tensión, característica de unared con neutro sintonizado, pero se producirá unrecebado unos milisegundos más tarde. Lafrecuencia del fenómeno va aumentando si hayuna degradación progresiva debido a lossucesivos recebados del arco que vandeteriorando la rigidez dieléctrica.

n En el caso de una red con neutro conectadodirectamente a tierra y distribuido (red de 4conductores, de tipo norteamericano) lapresencia de una corriente de neutro es normal,debido a la existencia de cargas monofásicas; yla aparición de un defecto hará aumentar estacorriente (en función de la impedancia de la partede arrollamiento no cortocircuitado). La situaciónes entonces similar a un autotransformador encortocircuito. La corriente de defecto serásiempre significativa y exigirá una rápidaintervención, ya que hay peligro de explosión. Sinembargo, se corre el riesgo de que esta corrientede neutro no sea vista por las protecciones dered que están ajustadas para admitir unacorriente de neutro importante (hasta el 40% dela corriente nominal de la línea). Por tanto, debede ser la protección del transformador la quedebe de poder actuar.

Toma de tierrade impedanciano nula

Corriente a tierraa través del neutro BT

Idefecto

Defectode aislamientoMT/BT

Fig 8: Ejemplo de defecto entre arrollamientos primario y secundario.


Una parte significativa de los defectos afecta ala masa del transformador, y por tanto a tierra.Por consiguiente, es útil una protección contradefectos a tierra. En condiciones normales lacorriente a tierra será nula (salvo en las redescon neutro a tierra y distribuido); esta protección

100%

Puntomedio

Fase

100%

50%

Fase Fase

Fig. 9: Corriente de defecto a masa, función del acoplamiento MT y de la ubicación del defecto.

puede ajustarse a un valor bajo, por ejemplo10% de la corriente asignada con unatemporización de 100 ms, en el caso deutilización de transformadores de corriente, yalgunos amperios en el caso de utilización de uncaptador de corriente residual.

Los fallos internos en los transformadoressuelen ser casi siempre debidos a solicitacionesexternas (sobretensiones o sobreintensidades).Hemos visto hasta hora los diversos tipos dedefectos y la manera en que puedenevolucionar.

Sin embargo, según la tecnología deltransformador, pueden presentarse otrosposibles fallos.

n Transformadores de inmersión

o Una pérdida de dieléctrico no diagnosticada atiempo llevará a un defecto eléctrico de pérdidade aislamiento en la parte alta de losarrollamientos. Estas fugas pueden tener suorigen, por ejemplo, en la corrosión de la cuba oen un golpe.

2.6 Defectos que dependen de la tecnología

o La polución del dieléctrico, por la presenciade partículas provenientes de la cuba, del núcleoo de los aislantes, o por la penetración de agua,puede también originar una situación dedegradación dieléctrica. Normalmente, estasimpurezas no se controlan en lostransformadores de distribución.

n Transformadores con aislamiento sólido

o Esfuerzos mecánicos anormales (golpes,esfuerzos de las conexiones) pueden agrietar elaislante dando paso a posibles cebados entreespiras o hacia las masas próximas.

o El agrietamiento del aislante puede asimismoser consecuencia de un envejecimiento térmicoanormal consecuencia de una mala utilizacióndel transformador.


o Los defectos del moldeado del aislante sólidopueden dar origen a fenómenos de descargasparciales, si hay burbujas en el aislante enpuntos con un elevado campo eléctrico. Estefenómeno provoca una degradación interna delos aislantes, propiciándose la aparición de undefecto mayor.

o En este tipo de transformadores la presenciade polucionantes externos (polvo) desequilibra elreparto de las cargas o esfuerzos dieléctricos

Fig. 10: Síntesis de los esfuerzos en explotación y sus consecuencias.

Esfuerzo Causa posible Defecto más probable Manifestaciones iniciales

Sobretensiones Descarga próxima de rayo Arcos entre espiras MT Desprendimiento de gaseso humos

Maniobras de red Arcos entre arrollamientos Pequeño aumento de lay masa corriente de fase

Corriente a tierra

Sobreintensidad baja Sobrecarga Destrucción arrollamientos Desprendimiento de gasesen los puntos más calientes o humos

Defecto impedante en la con cortocircuito entre Pequeño aumento de lared BT espiras corriente de fase

Gran sobreintensidad Defecto BT próximo Destrucción arrollamientos Evolución rápida yen los puntos más calientes aleatoria hacia defectoscon cortocircuito entre en los arrollamientosespiras y desplazamientode bobinas

Envejecimiento Acumulación de causas Arcos entre espiras MT Desprendimiento deanteriores Evolución posible a tierra gases o humos

Pequeño aumento dela corriente de faseCorriente a tierra

Nota: todos estos tipos de fallos, si no son corregidos en su fase inicial, evolucionarán hacia una generalizaciónque afectará a diversos arrollamientos y podrán manifestarse de forma violenta reventando la cuba, explotandolas bobinas y tal vez provocando un incendio.

en la superficie, llegando incluso a provocar laaparición de defectos de aislamiento.

o La proximidad de masas metálicas a unadistancia inferior a la prescrita por el constructorpuede provocar localmente una tensióndieléctrica excesiva sobre el aislante.

En la tabla de la figura 10 se hace una síntesisde los esfuerzos en explotación y susconsecuencias.


3 Protección contra sobretensiones

3.1 Generalidades

Un transformador alimentado en antena ocolocado en un punto de abertura de un buclerepresenta en alta frecuencia una impedanciamuy elevada en comparación con la impedanciade onda del cable o de la línea de alimentación.Debido a esto, durante los fenómenos depropagación de ondas, este transformadorrepresenta un punto de reflexión casi total y elsobreesfuerzo que puede llegar a tener quesoportar, en una primera aproximación, es eldoble de la tensión máxima de la onda incidente.

3.2 Explosores y pararrayos

Los medios de protección que más se utilizancontra las sobretensiones son los explosores ylos pararrayos. Los explosores o descargadoresson dispositivos menos costosos y más rústicos.Se utilizan exclusivamente en redes aéreas. Lospararrayos o limitadores de sobretensionestienen mejores prestaciones, pero un costesensiblemente mayor.

Los explosoresEl explosor es un dispositivo simple constituidopor dos electrodos en el aire. La limitación detensión es sus bornes se efectúa por el cebadodel arco a través del aire. Este funcionamientotiene un cierto número de inconvenientes:

n una gran dispersión, estadísticamentehablando, en cuanto al valor real de cebado,dependiendo de las condiciones del entorno(humedad, polvo, cuerpos extraños...),

n el valor de protección depende de la pendientede la rampa de subida de la sobretensión. Enefecto, el aire tiene un comportamiento de«retardo al cebado» que hace que unasobretensión importante con un frente muyempinado provoque el cebado para un valor decresta muy superior al valor de proteccióndeseado (figura 11 ),

n cuando actúa el explosor aparece unacorriente de defecto a tierra. Normalmente lacorriente «que sigue», cuya intensidad depende

Para que sean eficaces, es importante que losdispositivos limitadores estén colocados lo máscerca posible del transformador. El orden demagnitud de esta separación es de una decenade metros. Las condiciones de instalación, juntocon una longitud adecuada de las conexiones ylos valores de las tomas de tierra, influyen muchoen las prestaciones de la protección (CuadernoTécnico nº 151: Sobretensiones y coordinacióndel aislamiento y Cuaderno Técnico nº 168: Elrayo y las instalaciones eléctricas MT).

t

U

Valorde cebadocon la tensión«mantenida»

Sobretensiónalcanzada

Onda incidente Punto de cebado

Lugar delos puntosde cebado

Fig. 11: Comportamiento de un explosor con un frenterápido; cuanto mayor es el dV/dt, mayor es lasobretensión alcanzada.

del tipo de puesta a tierra del neutro, no puedeapagarse espontáneamente, lo que provoca laactuación de la protección aguas arriba. Unreenganche realizado algunos milisegundos mástarde permite restablecer el servicio. Para redescon neutro impedante, hay algunos dispositivos,como el interruptor automático shunt, querealizan la extinción del arco y la supresión deldefecto sin provocar el corte del suministro.


Los pararrayos o limitadores desobretensionesLos pararrayos permiten evitar esta situaciónperjudicial porque tienen un comportamientoreversible. Son resistencias extremadamenteno-lineales que presentan una disminuciónimportante de su resistencia interna alsobrepasar un cierto valor de tensión en susbornes. La posibilidad de volver a funcionar esmucho mejor que la de los explosores y elfenómeno del retardo es inexistente.

Los modelos antiguos de carburo de silicio (SiC)no son capaces de soportar de manerapermanente la tensión de servicio porque sucorriente residual es muy importante y generacontinuamente un calor inadmisible. Por estemotivo se asocian a un dispositivo explosor enserie capaz de interrumpir la corriente residual ysoportar la tensión de servicio. Los modelos másrecientes de óxido de zinc (ZnO) tienen una no-linealidad mucho más acentuada que les permitetener una corriente de fuga del orden de 10 mA ala tensión de servicio. Por esto, es posiblemantener sus partes activas permanentementeen tensión. Su gran no-linealidad mejora tambiénla eficacia de la protección para grandescorrientes (figura 12 ).

5 kA

10 mA

I

75 kV U15 kV

Fig. 12: Ejemplo de característica de un pararrayos deóxido de cinc (ZnO) que se utiliza en redes de 20 kV,aislamiento 125 kV «al choque».

Los pararrayos de óxido de zinc, cuyo usotiende a generalizarse, están disponibles enformatos que se adaptan a su utilización enredes aéreas, en celdas o en sus extensiones,con accesorios de conexión enchufables. Portanto están cubiertos todos los posibles casosde instalación.


4 Protección contra sobrecargas

4.1 Protección midiendo la intensidad de corriente

La protección contra sobrecargas debe deactuar en un intervalo comprendido entre el 110y el 150% de la corriente asignada y tenerpreferentemente un funcionamiento a tiempodependiente. Puede situarse en el lado MT o BT.

Cuanto menor sea la potencia del transformador,mejor se adapta la protección lado BT. Por elcontrario, cuanto mayor es dicha potencia, másaconsejable es elegir la protección MT.

Protección lado MTLa protección lado MT contra las sobrecargas esconveniente cuando se trata de transformadoresde gran potencia con interruptores automáticosMT asociados a protecciones con fuente auxiliar.Estas protecciones pueden ser a tiempoconstante o a tiempo dependiente y son válidastambién para la protección contra las grandescorrientes de defecto (hipótesis de defecto MT).En todos los casos deberán respetarse losimperativos de selectividad con las proteccionesde baja tensión.

Protección lado BTLa protección lado BT es fácil de llevar a cabocon un interruptor automático general de BT. Estetipo de aparato dispone de una curva a tiempoinverso (llamada térmica o de largo retardo) quegeneralmente sobreprotege el transformador. Enefecto, la constante de tiempo y la inercia que setiene en cuenta para definir este tipo de curvason las de las canalizaciones BT, que son másbajas que las del transformador.

Para proteger el transformador, el interruptorautomático no se ajusta en función de laresistencia o capacidad térmica de losconductores aguas abajo, lo que es habitual enBT, sino en función de la corriente asignada deltransformador situado aguas arriba quenormalmente es menor que la corriente asignadade los conductores. Si este interruptorautomático general está temporizado, paraasegurar la selectividad cronométrica con losinterruptores automáticos de las derivacionesBT, la selectividad con una eventual protección

MT puede ser delicada. Véanse los párrafos quetratan de la protección MT.

Con un esquema de protección BT de este tipo,hay que recordar que la elección es válida paraproteger el transformador contra sobrecargas ycortocircuitos de la red BT, pero no contra losdefectos internos.

En las redes de distribución pública, es frecuenteutilizar fusibles en las derivaciones BT cuando lacorriente de defecto en cualquier punto de la redes suficientemente elevada. Estos fusibles estáncalibrados para no actuar más que en caso decortocircuito entre conductores de la red BTpública, pero no tienen el objetivo proteger altransformador contra sobrecargas. La utilizaciónde fusibles, con tiempos de actuación muy cortospara grandes corrientes de defecto, facilita lacoordinación frente a una eventual protecciónlado MT.

En la distribución pública aérea se presenta uncaso especial cuando la red BT tiene unaimpedancia importante debido a su gran longitudy a la utilización de conductores desnudos. Sepueden producir entonces defectos francos,alejados del transformador, entre fases o entrefase y tierra, cuya corriente resulta baja, porejemplo, del orden de 2 a 3 In del transformador.

Una situación de defecto así tiene un riesgo parael público próximo al defecto y, si se prolonga,también lo tiene para el transformador. Estosdefectos no son vistos por las proteccioneshabituales contra cortocircuitos, como losfusibles, y pueden justificar la adopción de unaprotección «contra sobrecargas» medianteinterruptor automático para obviar esta situación.

Los relés de protección asociados a estosinterruptores automáticos BT pueden estardotados de un funcionamiento «por imagentérmica» que tolera las sobrecargasmonofásicas si las otras fases están pococargadas y la temperatura resultante en elinterior del transformador es todavía tolerable.Este funcionamiento es exclusivamente válidopara transformadores con tecnología «deinmersión» en los que el dieléctrico líquido


favorece los intercambios de calor entre losdiversos elementos que lo componen.

Esta solución es especialmente interesante endistribución pública donde la abundancia de lascargas conectadas a un transformador de pocapotencia es difícil de optimizar. Se aplica estasolución con los interruptores automáticosdestinados a transformadores sobre posteconsiguiéndose de este modo eliminar cortesinjustificados a los abonados. La técnicaaplicada consiste en recrear en el relé deprotección una interacción, por intercambio decalor, entre los tres elementos de medida decorriente –generalmente resistencias concoeficiente de temperatura positivo– de talmanera que se consigue una inercia térmicaglobal similar a la del transformador a proteger.Para una misma temperatura máxima del puntocaliente del transformador, la corriente de

4.2 Protección midiendo la temperatura

El control de la temperatura de los arrollamientoses la acción más adecuada porque esprecisamente la temperatura la que provoca elenvejecimiento de los aislantes.

Sin embargo, puesto que los calentamientos seproducen en las partes con tensión,generalmente la medida no puede efectuarsedirectamente en estos puntos. La baja velocidadde variación de las temperaturas para lascorrientes en el intervalo de las sobrecargas,debido a la inercia térmica del transformador,permite considerar que la medida essuficientemente representativa. El caso de unaelevación rápida de la temperatura de losarrollamientos suele normalmente resolversemediante una detección de sobreintensidad.

Para los transformadores de tipo sumergido, sesuele aceptar como válido el valor del indicadorde la temperatura del aceite. En efecto, el líquidodieléctrico actúa como refrigerante en losarrollamientos y tiende a homogeneizar latemperatura en el interior del transformador. Estamedida de temperatura puede hacerse con untermostato capaz de proporcionar de formaautónoma una información en un borne o

contacto de salida. Potencialmente puedenutilizarse dos umbrales para así poder definir unode alarma que provoque, por ejemplo, unadesconexión de cargas o una ventilación forzada,dejando el otro para el disparo de los relés. Unaactuación de este tipo es la de dispositivos comoel DGPT2, que se describirá después en estemismo documento.

Para los transformadores encapsulados secos,es necesario tomar varias medidas porque lastemperaturas pueden ser muy diferentes de unarrollamiento a otro en caso de desequilibrio. Porotra parte, la tecnología se presta mal a lautilización de termostatos cuyas partes activasson muy voluminosas. Los constructoresproponen un equipamiento del transformador consondas de platino, como en ciertos motores MT.Es frecuente colocar en cada arrollamiento dossondas para poder medir siempre lo más cercaposible de los puntos potencialmente calientes.Estas sondas se conectan a un sistemaelectrónico de tratamiento de información quepuede gestionar varios umbrales, para provocar odesconexiones de cargas o la desconexión yapertura total.

Fig. 13: Protección con imagen térmica: diferentescasos de funcionamientos desequilibrados posibles.

Fase 1 Fase 2 Fase 3

Caso límite 0 0 2,15

Caso frecuente 0,8 0,8 1,6

Sin imagen térmica 1,2 1,2 1,2

disparo en régimen desequilibrado permanentepuede llevarse a valores muy superiores a losobtenidos protegiendo las fases una por una,independientemente. Por otra parte, laconsideración de las inercias térmicas permiteutilizar mejor el transformador cuando lassobrecargas son temporales (figura 13 ).


5 Protección mediante fusibles MT y combinadosinterruptor-fusibles

Para las necesidades de explotación –maniobra,cambio de fusibles, seccionamiento– los fusiblesse instalan aguas abajo de un órgano demaniobra. La construcción concreta de estaaparamenta suele tomar la forma deinterruptores-fusibles. En este caso, los fusiblesse instalan en aparatos que permiten la

5.1 Características de los fusibles MT

GeneralidadesLos fusibles constituyen una de las proteccionesmás extensamente utilizada para lostransformadores de distribución, debido sobretodo a su simplicidad y bajo coste del materialcorrespondiente. Sin embargo, los límitestecnológicos de su funcionamiento y diseñotienen un cierto número de inconvenientes oimperfecciones que llevan a considerar laprotección mediante fusibles como relativamenterústica.

Los fusibles se caracterizan por su corrienteasignada, que es el valor más elevado decorriente que el fusible puede admitirpermanentemente en una instalación al aire libre,y por su característica de fusión intensidad/tiempo. La corriente asignada depende decriterios de calentamiento en régimenpermanente de las superficies de contacto y delas envolventes aislantes. Esto no correspondea la fusión. Existe siempre una zona de valoresde corriente entre la corriente asignada y elinicio de la característica de fusión. Unacorriente comprendida entre esta zona producecalentamientos inadmisibles, que son causa dedegradación a más o menos largo plazo, delfusible y de su entorno. Ciertos fusibles tienendispositivos sensibles a la temperaturadestinados a hacer disparar el interruptor, si setrata de un «combinado».

Clasificación de los fusibles MTExisten dos grandes familias de fusibles: losfusibles de expulsión y los fusibles limitadores.Los fusibles de expulsión se han utilizado muchoen distribución aérea de tipo nortamericano, enmontajes que suelen asegurar el seccionamientoautomático. Sin embargo, su funcionamiento no-limitador, su poder de corte limitado y, sobre todo,

sus manifestaciones exteriores tienden a reducircada vez más su utilización. La parte que siguede este documento se refiere exclusivamente alos fusibles limitadores, como los definidos en laCEI 282.

n Entre estos fusibles, los más corrientesforman parte de la categoría de fusibles«back-up» (o «asociados»). Tienen unacorriente mínima de corte (I3 en las normas)superior a su corriente mínima de fusión.

n Los fusibles de la categoría «general purpose»(o «de aplicación general») se definen como conuna corriente mínima de corte tal que el tiempo defusión asociado sea superior a una hora.

n Los fusibles de categoría «full range» o «decorte integral» aseguran el corte para todas lascorrientes que provoquen la fusión, hasta elpoder de corte en cortocircuito. Estos fusiblesson generalmente más caros que los de lacategoría «back-up», lo que limita su utilización.Por otra parte, presentan también posibilidadesde sobrecalentamiento y no consiguenproporcionar una solución adecuada para todoslos casos de instalación.

La observación de las curvas características delos fusibles indica claramente que:

n la corriente mínima de fusión está entre 2 y 5veces la corriente asignada, según el tipo defusible,

n la duración de la actuación depende muchode la corriente y tiene una distorsión importante(tolerancia sobre la corriente de ± 10%). Laforma exacta de la curva depende del tipo defusible y de su tecnología. Esta duración alcanzavalores muy bajos para las grandes corrientes,superiores a 20 veces la corriente asignada(figura 14 ).

actuación independiente del interruptor respectoa los fusibles. Cuando el fusible utilizado tiene unpercutor capaz de provocar la apertura delinterruptor al fundirse, el aparato se denominaentonces con el término «combinado interruptor-fusibles».


Criterios de selección

La capacidad de los fusibles limitadores de actuaren un tiempo del orden de algunos milisegundos,para las corrientes elevadas, constituye suprincipal ventaja a parte de su coste. Estacaracterística permite a los fusibles asegurar unefecto limitador de corriente muy apreciable enlas instalaciones con grandes corrientes decortocircuito. En efecto, el diseñador puededimensionar los conductores y los componentesdel circuito aguas abajo teniendo en cuenta esteefecto limitador y por tanto, considerando lasprestaciones de resistencia a las corrientes dedefecto muy inferiores a las corrientes decortocircuito de la red. Esta capacidad delimitación ayuda también a disminuir los efectosdestructores de un defecto mayor.

Los criterios de elección de los fusibles,expresados por los constructores y quedependen de las características de cada tipo,cubren los siguientes casos:

n la tensión de servicio del transformador,

n las corrientes de enganche o de conexión,

n la posibilidad generalmente admitida desobrecargar temporalmente un transformador,

n la necesidad de que un defecto BT próximo(aguas arriba del dispositivo de protección BT)sea eliminado en un tiempo suficientementecorto,

n el respeto de la selectividad con lasprotecciones BT (figura 15 ).

Estos criterios se desarrollan en el anexo 1.

El tener en cuenta este conjunto de criterios, asícomo el de la corriente de cortocircuito MT, lascondiciones de instalación y la necesidad de unaeventual selectividad, hacen que la selección deun fusible adecuado sea muy delicada. Dehecho un cierto número de instalaciones quefuncionan con fusibles no aseguran de maneracorrecta la protección para la que se hancolocado, lo que puede llevar o a fusionesintempestivas, a conectar la tensión, o a la no-protección debido a que sus características noson las adecuadas.

30 s

1 ms

1 h

t

Iminicorte

Zon

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Zona de defecto MT o BT

Zona dedefecto MT

Fusible MTFusible

BT

In IMT

Interruptorautomático

BT

Fig. 14: Características típicas de un fusible«asociado».

Fig. 15: Selectividad entre los fusibles MT y lasprotecciones BT.

Precauciones de manipulaciónLa tecnología utilizada –hilos o láminas metálicaspuestas en paralelo dentro de una vaina– tieneuna cierta labilidad mecánica durante lasoperaciones de manipulación y transporte. Sehan observado con cierta frecuencia deterioros

5.2 Límites de los fusibles

por ruptura de uno o varios conductores enausencia de cualquier esfuerzo eléctrico. Lacolocación de un fusible deteriorado equivale autilizar un calibre anormalmente bajo y provocarápidamente una evolución del tipo«embalamiento térmico». Una evolución de este


tipo puede tener consecuencias desastrosaspara la aparamenta que lo contiene, y por tantopara la integridad de la instalación. Paraprotegerse contra este incidente, los usuariospueden realizar una medida de la resistencia delfusible justo antes de su colocación paraasegurar que dicho fusible tiene un valorconforme a su definición y no ha sufrido la rupturade ningún elemento conductor.

Puntos de funcionamiento prohibidosn La zona «prohibida» de los fusibles«back-up» se extiende desde la corrienteasignada a la corriente mínima de corte. En estazona pueden presentarse dos comportamientosdiferentes:

o entre la corriente asignada y la corrientemínima de fusión los calentamientos excesivospueden deteriorar la envolvente del fusible y suentorno dentro de la aparamenta,

o entre la corriente mínima de fusión y lacorriente mínima de corte aparece un arco queno se apaga y que provoca rápidamente undefecto MT mayor si no actúa otro dispositivo.

Por tanto, estos fusibles deben de utilizarse conciertas precauciones, es decir, en aplicacionesen las que no sea posible la aparición de unacorriente de este valor situado en la zona crítica.Si estos valores de defecto son posibles, hayque utilizar el fusible en un «combinado». Estasolución se estudia después. La guía deelección CEI 787 de la protección detransformadores mediante fusibles cita estosdiversos criterios.

n Los fusibles «full range» no tienen corrientemínima de corte. Su zona «prohibida» se limitapor tanto a valores de corriente comprendidosentre la corriente asignada y la corriente mínimade fusión. Esta zona no es problemática másque para fenómenos cuasi permanentes quepueden tener efectos térmicos nefastos. Elorden de magnitud de esta duración es una hora.

n En las aplicaciones de protección detransformadores los defectos son muyfrecuentemente evolutivos a partir de corrientesdébiles.

Este tipo de defecto puede llevar a actuar sobrela protección con una corriente que crece muylentamente más allá de su corriente asignada.Esta forma de evolución, en un circuito protegidopor fusibles de cualquier tipo, puedeconsiderarse como peligrosa, debido a quesistemáticamente hace pasar al fusible a suzona crítica. Con una velocidad baja deevolución del defecto en el transformador, sepuede llegar a un fallo de la aparamenta porembalamiento térmico o por no corte del fusible.

A título de ejemplo, un transformador de 400 kVAcon 11 kV está protegido por fusibles «back-up»de corriente asignada 40 A (según la tabla deelección del constructor de los fusibles) cuandola corriente asignada del transformador es de21 A. La curva de fusión asociada a este fusibleindica una corriente mínima de fusión dealrededor de 100 A con una corriente mínima decorte de unos 130 A. En caso de defecto entreespiras primarias, la probabilidad de hacertrabajar a este fusible con valores peligrosos esmuy grande, puesto que la corriente mínima decorte es del orden de seis veces la corrienteasignada del transformador.

Funcionamiento en monofásica

Cuando funde un único fusible, el transformadorpasa a quedar alimentado únicamente por lasdos fases restantes. En función delacoplamiento del transformador, las cargas BTvan a estar en una situación diferente. En elcaso de un acoplamiento triángulo-estrella, dosfases BT de las tres se encontrarán en situaciónde tensión reducida y los defasajes no serespetarán. Esta situación es especialmenteperjudicial para motores trifásicos, así comopara motores monofásicos conectados a lasfases con tensión reducida. Hay otrasaplicaciones que también pueden quedarperturbadas por una tensión reducida, porejemplo, los relés o las lámparas de descarga.Por tanto, el cortar una sola fase, lleva, la mayorparte de las veces, a una situación que hay queevitar y que puede considerarse peor que uncorte total del suministro.

Caso de transformadores en paralelo

En el caso de utilizar transformadores enparalelo es indispensable protegerlos con laayuda de un dispositivo común. Esto evita quese realimente un transformador con defecto através de la conexión BT (figura 16 ).

Fig. 16: Circulación de corrientes después de abriruna protección MT por un defecto en el primario.


Si se desea realizar esta protección mediantefusibles, la aplicación de los criterios dedimensionamiento citados anteriormente lleva aseleccionar los fusibles a partir de la corrienteresultante de los dos transformadores. Por estemotivo, las corrientes mínimas de fusión y decorte se hallan incrementadas en un factorpróximo a 2 respecto al caso de fusiblespensados para un solo transformador. La

protección asegurada ante el fallo interno de unode los transformadores está notablementeempobrecida. Por tanto el riesgo aumenta paraestos fusibles sometidos a situaciones críticas desobrecalentamientos o de fusión por debajo de I3.En consecuencia, la utilización de una protecciónmediante fusibles queda completamentedesaconsejada en estas instalaciones.

5.3 Utilización de un combinado interruptor-fusibles

VentajasLas fusiones intempestivas, por envejecimientoo por fenómenos transitorios, son la causaprincipal de situaciones de funcionamiento confallo de una fase en MT.

La separación monofásica se evita utilizando unaparato combinado interruptor-fusibles en el quelos fusibles que se instalan tienen percutor. Coneste tipo de aparato el primer fusible que fundeacciona mediante su percutor el mecanismo delinterruptor y provoca la apertura de éste. Portanto el corte de la alimentación es tripolar,independientemente de la razón de fusión delfusible.

Este modo de funcionamiento permite tambiéncortar mediante el interruptor las corrientes dedefecto de valores bajos situadas en la zonaprohibida del fusible (entre la corriente mínimade fusión y la corriente mínima de corte I3). Asíse suprime el riesgo asociado de no corte delfusible.

Por el contrario, puesto que el interruptor del«combinado» no tiene poder de corte deldefecto hasta la corriente de cortocircuito, laselección de la pareja «aparato-fusibles» debede respetar las reglas de coordinación. Estasreglas tienen por objetivo asegurar que elinterruptor no quede nunca sometido a unasituación en la que sea incapaz de cortar. Lapublicación CEI 420 trata de estos criterios.

En el «combinado», se busca el reparto de laprotección de las situaciones de defecto:

n las grandes intensidades son eliminadas porlos fusibles aprovechando su poder de corte ysu efecto limitador,

n las intensidades menores son eliminadas poruna orden del percutor o una orden externa.

ComplejidadEntre los parámetros que se consideran paradeterminar un par interruptor-fusibles está la

capacidad del interruptor para interrumpir lascorrientes «de transición».

El valor de la corriente de transición se definecomo el valor de la corriente trifásica para la quelos fusibles y el interruptor intercambian en lafunción de corte: inmediatamente por debajo deeste valor, la corriente en el primer polo quecorta es interrumpida por el fusible, y la corrienteen los otros dos polos por el interruptor;inmediatamente por encima de ese valor, lacorriente en las tres fases es interrumpida porlos fusibles. El cálculo de la corriente detransición se expone en el anexo 2.

Los cálculos y ensayos realizados para estudiaresta situación se basan todos en la hipótesis deimpedancia de defecto constante. Éste no sueleser necesariamente el caso, puesto que lacorriente de defecto, normalmente evolutiva,puede aumentar. El posicionamiento de lacorriente de transición debe también asumir laconexión en carga por los fusibles de lassituaciones de defecto que producen lostransitorios de reconexión severos. Este es elcaso, por ejemplo, de defectos en los bornes BTdel transformador. Según el tipo de acoplamientodel transformador, ciertos defectos BT entresólo dos fases pueden provocar situacionescríticas no cubiertas por la CEI 420.

Limites

La selección de un fusible, en un combinadointerruptor-fusibles para una aplicación deprotección de un transformador debe de cumplirun número importante de condiciones. Losfabricantes de aparamenta proporcionan, paracada tipo de aplicación, una lista de los fusiblesque pueden utilizarse en sus combinadosinterruptor-fusibles (marcas, tipos y calibres). Encaso de no respetar estas recomendaciones, laprotección puede resultar degradada y laseguridad quedar comprometida, según lascircunstancias y los posibles defectos. Lasreglas básicas se citan en el anexo 1. Sin


embargo, estas reglas no pueden garantizar porsí mismas todos los casos posibles de defecto.

Siempre existe una zona de calentamientoexcesivo para casi la totalidad de los fusibles yla instalación de un combinado no implicanecesariamente ningún medio de prevencióncontra la degradación térmica, si la corriente semantiene en esta zona. Por este motivo ciertosfabricantes proponen fusibles con captador detemperatura integrado, que, en caso decalentamiento anormal, provocan el disparo delpercutor, y por tanto del combinado.

Posibilidades de proteccióncomplementariaLa utilización de combinados puede servir paraañadir una protección adicional, como laprotección contra defectos a tierra, teniendo encuenta la presión o la temperatura.

La temporización debe, en todos los casos,garantizar el respeto a la corriente de actuacióndel combinado.

La corriente de intersección se define como elvalor de corriente que corresponde a laintersección de las características tiempo-corriente de los dispositivos de proteccióncontra corriente máxima (VEI 441-17-16), y portanto, el valor de la corriente de intersección delas curvas de los fusibles por una parte y el valorde la corriente del dispositivo de protecciónanexo por otra (CEI 420) (anexo 2).

En conclusión, la protección mediante unconjunto interruptor-fusibles es relativamentecompleja y puede tener ciertos riesgos. Además,el diseñador de la instalación eléctrica puedepreferir una protección mediante interruptorautomático porque puede asociarle másfácilmente funciones de altas prestaciones.


6 Protección mediante interruptor automático MTy sus órganos de disparo asociados

La utilización de un interruptor tiene comoprincipal ventaja el no tener corrientes críticas (escapaz de interrumpir todas las corrientesinferiores a su poder de corte) y ofrece una granflexibilidad en la elección de los criterios deactuación. Las soluciones técnicas propuestasson, normalmente, más costosas con interrup-

tores automáticos que con fusibles, interruptores-fusibles o con combinados de interruptor yfusibles. Sin embargo, ciertos montajes,especialmente con aparamenta compacta del tipoRing Main Unit ofrecen soluciones coninterruptores automáticos de coste unitariosimilares a las soluciones con fusibles.

6.1 Criterios de elección de una curva de disparo

GeneralidadesLas protecciones de corriente máxima actúancuando el valor de la corriente sobrepasa un valordeterminado durante un tiempo determinado. Lasprotecciones llamadas «a tiempo dependiente»para las que el retardo del disparo depende delvalor de la corriente que circula, son las másutilizadas, puesto que permiten conciliartemporizaciones importantes en zonas de bajacorriente (sobrecargas o defectos internos «dejuventud») con actuaciones rápidas en caso deun defecto importante. La curva corriente-tiempodel relé de protección asegura también el no-disparo cuando se dan fenómenos transitorios,como las corrientes de conexión.

La normalización internacional (CEI 255)propone varias curvas que tienen la ventaja depermitir la selectividad entre interruptoresautomáticos MT. Los fabricantes proponen otrascurvas que se adaptan mejor a la protección delos transformadores de distribución.

Selectividad

La selectividad consiste en que sólo dispare laprotección más próxima al defecto, de maneraque minimiza la parte de la instalación que quedafuera de servicio. En la aplicación particular desupervisión de un transformador MT/BT, laselectividad debe de buscarse en el interruptorMT aguas arriba y, eventualmente, en lasprotecciones BT aguas abajo. En la distribuciónpública, el interruptor inmediatamente aguasarriba de la protección del transformador es uninterruptor de salida o de derivación del centrode transformación AT/MT, cuyos parámetros deprotección se ajustan normalmente a valoresmuy superiores consiguiéndose la selectividadsin especiales precauciones adicionales. La

selectividad aguas abajo es interesante y fácilde conseguir en el caso de tener variasprotecciones BT en paralelo. Si se utiliza unúnico interruptor general BT, una pérdida deselectividad no cambia el hecho de que todos losusuarios BT queden desconectados. Elinterruptor automático MT y la proteccióngeneral BT, en cuanto a la selectividad, puedenconsiderarse como un único escalón. En efecto,tanto por reglamento como por contrato entreproveedor y abonado de la energía, los usuariosfinales rara vez tienen acceso a estos dosinterruptores. En las instalaciones MT privadas ycuando el equipo utilizado lo permite, laimplantación de la selectividad lógica entre elinterruptor MT y la protección general BT aportauna simplificación importante (Cuaderno Técniconº 2: Protecciones de redes mediante sistemade selectividad lógica).

Ejemplo

La figura 17 representa los valores decorrientes de defecto en una instalación. Sepuede constatar que el valor de cortocircuito BTvaría muy rápidamente únicamente con laimpedancia de los conductores.

Si se considera que el interruptor automático D2no es limitador y que tiene 5 mΩ hasta eltransformador (15 a 30 m de conductor BT), lacorriente de defecto que puede establecerseinmediatamente en los bornes del transformadorllega fácilmente a 16 veces su corriente nominal.Por tanto, hay que comprobar que la selectividades válida para este valor de corriente. La curvanormalizada más rápida (extremadamenteinversa), calculada para obtener 20 ms con20 In, da un tiempo de disparo igual a 31 ms. Setiene selectividad si el interruptor automático D2


elimina el defecto en menos de 15 ms, lo quepermite tener en cuenta el tiempo de memoriadel relé MT. En caso de instalaciones complejas,en distribución industrial, es posible que elinterruptor D2 esté temporizado para grandesvalores de defecto. En este caso, seránecesario utilizar en el relé MT un modo defuncionamiento que permita asegurar laselectividad cronométrica hasta este valor dedefecto de 16 In (figura 18 ) o utilizar laselectividad lógica. En la distribución pública, no

Fig. 18: Coordinación entre un interruptor automáticoBT por decalado de sus ajustes. La sobrecarga seproduce en el lado BT. Los defectos internos quedanpeor protegidos.

t

2 10 20 I/In1Defecto en bornes delinteruptor automático BT

Interruptorautomático BT

Interruptor automático MT

15 kV

400 kVA

15,4 A

580 A

In Icc MT Icc BT

400 V

D2

a 20 m

Z

20 kA

11,6 kA

10 kA

309 A

266 A

0,2 m

28 m

Fig. 17: Ejemplo de instalación: impedancias ycorrientes de defecto.

existen nunca interruptores en cascada sin unaimpedancia significativa entre ellos, lo quepermite la selectividad amperimétrica.

Soluciones prácticasLos márgenes de ajuste de los relés sólo rarasveces se corresponden con exactitud con lacorriente nominal de los transformadores aproteger, lo que obliga a decalar la curva deprotección hacia las corrientes más altas. Estoobliga a aumentar el margen de selectividad. Portanto, los fabricantes pueden proponer curvasdiferentes a las normalizadas, y que por tantopermitan conseguir un funcionamiento mejorbasado en las necesidades de explotación delos transformadores.

La protección MT escogida para untransformador debe de responder a estoscriterios:

n ser siempre más rápida que la protección MTinmediatamente superior,

n ser lo más rápida posible para los valores decorriente superiores al cortocircuito BT (20 a25 In del transformador, según la Zcc),

n dejar pasar las puntas de conexión(figura 19 ),

n poder asegurar una supervisión correcta dela zona de sobrecarga o inmediatamentesuperior a la zona de sobrecarga escogida porel usuario.

Fig. 19: Corrientes de conexión referidas a lacorriente asignada (valores de cresta) de lostransformadores sumergidos.

P (kVA) I cresta /I n Cte. detiempo (ms)

50 15 100

100 14 150

160 12 200

250 12 220

400 12 250

630 11 300

800 10 300

1000 10 350

1250 9 350

1600 9 400

2000 8 450


1 2 5 10 20 50

20 ms50 ms

100 ms0,2 s0,5 s

1 s2 s5 s

10 s20 s

t

Umbral a 1,2 Iajuste

I/Iajuste

Fig. 20: Curva de disparo de un relé destinado a laprotección de transformadores.

1

t

2 10 20 I/In

Fusible BT

Interruptorautomático MT

Fig. 21: Actuación de un interruptor automático MTante las sobrecargas y los defectos internos.

Esto es precisamente lo que justifica el trazadode una curva como la de la figura 20 , que es laque se aplica a ciertos aparatos de protecciónintegrados de Schneider. Se puede observarque una curva con esta configuración asegura la

selectividad con unos posibles fusibles lado BT,consiguéndose siempre muy rápidamente (delorden de algunos milisegundos) la eliminacióndel defecto para corrientes próximas a la decortocircuito de la red BT (figura 21 ).

6.2 Ventajas de una protección de tierra

El comportamiento que se observa cuando seproduce un defecto interno a masa depende delmodo de puesta a tierra del neutro de la red MT.La detección de la corriente residual puedesolucionar, en todo o en parte, los defectos amasa. Además, la detección de la corrienteresidual es también sensible a las de defectoentre primario y secundario, lo que correspondea defectos a tierra que ve la red aguas arriba.Esta protección es también de interés para untransformador de distribución, salvo en redescon neutro directo a tierra y distribuido.

Su umbral de disparo debe de ser lo más bajoposible, aunque en la práctica existenlimitaciones:

n debe de dejar pasar las corrientes residuales«normales». En efecto, en ciertas situacionesnormales de explotación de una red, losdesequilibrios entre las tensiones simples–respecto a tierra– pueden originar una corrienteresidual no nula a través de las capacidadesrespecto a tierra del transformador y de sus

eventuales cables de conexión. Además, inclusosin ningún defecto, cualquier sección de una redpresenta un desequilibrio capacitivo «natural»que produce una corriente residual.

n puede quedar limitado por los errores de lostransformadores de medida en el caso de unasuma de las tres medidas de la corriente defase. Las limitaciones tecnológicas de loscaptadores de protección obligan a utilizarumbrales de detección generalmente superioresal 10% de la corriente asignada, para evitardisparos intempestivos por fenómenostransitorios o cortocircuitos.

En ciertos casos, puede pensarse en unadetección del tipo «masa-cuba», lo que implicapoder aislar el transformador de tierra. Sinembargo, este tipo de protección tieneproblemas en cuanto a la instalación física delos transformadores y en cuanto a la posibleseparación entre éstos y la aparamenta deprotección. De hecho, no se utiliza nunca en lostransformadores de distribución.


En muchos casos, especialmente en distribuciónpública o en pequeñas instalaciones, no esposible pensar en la utilización de ninguna fuenteauxiliar para el funcionamiento de lasprotecciones. En efecto, la utilización directa dela BT obtenida del transformador no permiteresponder de forma sencilla al conjunto dehipótesis de defecto y la instalación de unafuente auxiliar adicional presenta un sobrecostede instalación y de mantenimiento inaceptable.Existe un gran número de tipos de protección sinfuente de alimentación auxiliar, y los fusiblesestán en esta categoría.

Cuando se trata de hacer abrir a un interruptorautomático, se pueden encontrar tres tipos dedispositivos:

n Relés directos, en los que la corriente asupervisar acciona los dispositivos de disparopor efectos térmicos o magnéticos, sintransformadores de corriente. Es el caso denumerosos interruptores automáticos BT,aunque los relés directos también se utilizan enaparamenta MT. Sin embargo su utilizacióntiende a disminuir debido a su bastedad, a sumediocre precisión y a sus limitadasposibilidades de ajuste.

n Los «Time Fuse Links» son muy utilizadospor los británicos (figura 22 ). En funcionamientonormal, la bobina está cortocircuitada por unfusible BT, que determinará los parámetros de laprotección. En caso de defecto, el fusible fundey la corriente secundaria del transformador decorriente acciona la bobina. Este principioelemental es simple y eficaz. Sin embargo, obligaa disponer de fusibles de repuesto y ofrece unagama de características limitada, que dependede las curvas de fusión de los fusibles. Se puede

6.3 Protecciones autónomas: Time Fuse Links (TFL) y relés de protección

añadir una protección a tierra mediante unabobina situada en el conductor común deltransformador de corriente. Puesto que lacorriente en esta rama es normalmente nula, nohace falta fusible en paralelo con esta bobina.

n Los relés electrónicos autoalimentados, enlos que la energía necesaria para elfuncionamiento electrónico y para el disparo delinterruptor automático se toma del secundariodel captador. Estos relés van asociados a relésde baja energía de disparo, generalmente conretención magnética, que necesitan serrearmados por el mismo mecanismo delinterruptor automático. Además, suelen ir unidosa captadores especialmente diseñados paraesta aplicación, menos voluminosos y costososque los transformadores de corrientenormalizados. Toda esta cadena de protecciónpuede integrarse en un único aparato, lo quepermite ofrecer una solución global dotada deposibilidades mucho más amplias que las de lassoluciones con relés directos y TFL.

Sus prestaciones cubren la casi totalidad de lasinstalaciones, disponiéndose de curvasnormalizadas y del fabricante y de gamas deajuste muy amplias. Sin embargo, este principiode funcionamiento está limitado en los umbralesbajos de disparo, debido a la falta de energíadisponible en caso de baja corriente MT, salvoque se utilicen captadores de corrientevoluminosos, cuyo coste será prohibitivo. Loslímites actuales (1.998) de funcionamientoautónomo son de alrededor de 10 amperios.Pueden utilizarse valores «a tierra» menores,pero sólo provocarán el disparo si existe unacorriente de carga –corriente de fase– porencima del límite de funcionamiento autónomo.

Fig. 22: Principio de cableado de una protección del tipo Time Fuse Links, con dos bobinas de «fase» y unabobina de «tierra».


Si se admite instalar una fuente de alimentaciónauxiliar para llevar a cabo todas o parte de lasfunciones de protección, es posible disponer,además de los datos sobre las magnitudeseléctricas, de otras informaciones. La mismasalida BT de los transformadores a supervisarpuede alimentar estas funciones, si la proteccióncontra los cortocircuitos queda asegurada porun dispositivo autónomo.

Existen otras dos aplicaciones adicionales quese utilizan para defectos que no provocansobreintensidades notables y para situacionesde sobrecarga: el DGPT y las sondas detemperatura.

n El DGPT, como detector de «Desprendimientode Gases y de aumento de Presión yTemperatura» se utiliza en transformadores con

6.4 Las protecciones con fuente de alimentación auxiliar: DGTP, sondas y relés

dieléctrico líquido y llenado total y agrupa en unúnico elemento auxiliar la supervisión de estosparámetros. Incluye, por tanto, la función depresostato, que puede ser de dos márgenes, y undispositivo con flotador que detecta la presenciaanormal de gas. Se utiliza en transformadoreshúmedos con llenado total. Dispone de varioscontactos de señalización para detectar diversassituaciones (figura 23 ).

La función de supervisión de salida de gasesdetecta también, preventivamente, la pérdidaaccidental de líquido dieléctrico.

Estas funciones se realizan con fenómenoslentos. Los defectos de evolución rápida y quepor tanto requieren una actuación rápida, siguensiendo controlados por los relés de protecciónque supervisan las magnitudes eléctricas.

Normal

T0 T T

T T T

Bajo nivelde líquido

Muy bajo nivelde líquido

Sobrepresióninterna

Altatemperatura (1er nivel)

Muy altatemperatura (2º nivel)

121110

987

654

321

121110

987

654

321

121110

987

654

321

121110

987

654

321

121110

987

654

321

121110

987

654

321

Fig. 23: Funcionamiento de un DGPT.


n Las sondas de temperatura, generalmenteutilizadas en transformadores secos,proporcionan una información precisa de lasituación térmica interna. Van asociadas a unacircuitería electrónica que puede proporcionardiferentes márgenes o umbrales de actuación(alarma de sobrecarga, orden de separación delas cargas y hasta la desconexión). El sistemade mando y control utiliza estas informacionespara ordenar la maniobra de la aparamentacorrespondiente.

Por otra parte, una fuente de alimentaciónauxiliar permite controlar también los valoresbajos de los umbrales de protección, paradetectar defectos en las fases o a tierra.

Cuando un relé alimentado por una fuenteauxiliar realiza las funciones básicas deprotección (incluida la protección contracortocircuitos) es necesario disponer de unaalimentación de socorro o emergencia. Estacondición asegura la capacidad de gestionar elconjunto de situaciones de defecto,independientemente de la situación y valor de laBT durante el defecto. La existencia de estafuente de socorro, que exige una supervisión ymantenimiento específicos, supone unasobreexigencia que limita la utilización de estosdispositivos a instalaciones que disponen ya deuna fuente de socorro por otros motivos. Portanto, este tipo de relés sólo se encuentran encentros de transformación del sector terciario.


La elección de la protección de lostransformadores de distribución (MT/BT) esrelativamente compleja porque se necesita teneren cuenta un gran número de parámetrospudiendo ser adecuadas diversas alternativastécnicas para asegurar un mismo tipo deprotección.

En primer lugar, se suele especificar eltransformador. Sin embargo, más allá de criteriosligados a las necesidades funcionales deltransformador (como su potencia y tensión deservicio) o que dependen de las condiciones de lainstalación (presencia de armónicos, riesgos desobrecargas), el usuario deberá definir suelección en términos de política de explotación yde protección:

7 Conclusión

n seguridad de personas y de instalaciones omanifestaciones exteriores en caso de defecto,

n continuidad del servicio o duración de losequipos,

n coste de la inversión valorando lasprobabilidades de defecto.

Las protecciones aguas abajo del transformador,puesto que dependen directamente de lanaturaleza de la red BT y del tipo de cargas,suelen definirse antes que las de aguas arriba.

Después se hace la elección de las proteccionesdel transformador, pero es necesario un procesorepetitivo para asegurar la coherencia delconjunto del dispositivo: transformador,protección BT y protección MT (figura 24 ).

Fig. 24: Procesos iterativos de elección de una protección de un transformador.

Elección deltransformador

Captadores

Instalación

Funcional Tecnologíared

ExplotaciónBT

Necesidad de maniobra,jerarquización

Selectividadcon la MT

Tipos de curvas,umbrales,

imagen térmica

Aérea desnudo/retorcidosubterránea

Potencia , aislamiento ...

Sobrecargas,riesgos/seguridad

Reglamentos, incendio,interior/exterior...

Explotación

Red MTtensión, neutro ...

Especificacióny elección deltransformador,tecnología ...

Elección dela protección BT

fusibles,interruptores

automáticos ...


En el diagrama lógico de la figura 30 (al final deeste Cuaderno) se han recordado de manerasistemática los diversos medios de protección,mostrándose en él las numerosasinterdependencias entre las diversas posibleselecciones técnicas. Este diagrama deja muyclaro que existe una multiplicidad de criteriosafines que deben de manipularse para definirfinalmente una protección determinada. La tablade la figura 25 recuerda y resume los criteriostécnicos que se pueden utilizar. Se apreciaclaramente la complejidad del proceso así comola inexistencia de una solución ideal y absoluta.De hecho, los dispositivos de protección MT sonuna parte integrante del cuadro y su eleccióntiene condicionantes. A título de ejemplo puede

citarse que, cuando se utilizan cuadrosmodulares o compactos, la elección suelehacerse con criterios independientes de laprotección del transformador, como el entorno ola posibilidad/probabilidad de evolución, teniendoestos criterios unas consecuencias económicasmuy diferentes dentro de las diversas solucionesposibles. De hecho, por ejemplo, la utilización defusibles insertados en aparamenta compactaobliga a situarlos en armarios estancos, lo querepresenta un coste adicional significativo. Conesta tecnología, la solución con interruptorautomático resulta más competitiva. Al revés, laoferta de aparamenta modular dispone desoluciones con fusibles más económicas que lassoluciones con interruptor automático.

Objetivo ⇒⇒⇒⇒⇒ Protección del transformador sano Separación del transformador averiado

Situación ⇒⇒⇒⇒⇒ Sobretensiones Sobrecargas Defecto Defecto Defecto DefectoMT defecto BT BT próximo interno 1 interno 2 interno 3

Dispositivo Riesgo ⇒⇒⇒⇒⇒ Defecto Calentamiento, Destrucción Evolución Evolución Explosión, ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ interno de disminución de térmica hacia explosión hacia explosión incendio

tipo 1 ó 2 su duración (qq s)

Fusible BT «««

Interruptor « «««automático (imagen térmicaBT en sumergidos)

Explosores «

Pararrayos (ZnO) «««

Fusibles MT M « M «««

Combinado CEI420 « ««(2) ««(3) «««

Interruptor Relé a « «« «« ««« ««automático tiempoMT dependiente

Temperatura Con combinado «« «o interruptorautomático

Presión Con combinado ««(1) ««o interruptorautomático(sólo sumergidos)

Fig. 25: Cuadro de síntesis de los diversos casos y posibilidades de protección de un transformador.

Defecto tipo 1: defecto a masa de valor inferior a la corriente asignada.Defecto tipo 2: defecto que produce una corriente de valor comprendido entre 1 y 5 veces la corriente asignada.Defecto mayor MT: defecto que produce una corriente mayor de 5 In.

(1): La detección de la sobrepresión puede intervenir para defectos que producen un desprendimiento de gasesindependientemente del valor de la corriente.

(2): Asociado a un relé de defecto a tierra.(3): Con la condición de una coordinación adecuada.M: riesgo de fallo del fusible en estas situaciones.


Las tablas de selección propuestas por losconstructores de fusibles y de aparamentatienen en cuenta las reglas que a continuaciónse citan, al menos por la parte que a ellos serefiere, así como las posibles particularidadesde cada tipo de mecanismo (el emplazamientode los fusibles modifica sus condiciones derefrigeración, por ejemplo) (CEI 787):

Anexo 1: Reglas de selección de un fusible paraprotección de transformadores

Int: corriente asignada del transformador,

Icc-BT: corriente primaria en caso decortocircuito BT,

Inf: corriente asignada del fusible,

Ic (t): corriente que produce la fusión en untiempo t (curva característica tiempo-corrientedel fusible)

I3: corriente mínima de corte del fusible.

Reglas que prevén la no-fusión intempestiva

n soportar la corriente de servicio (y lasposibles sobrecargas)

1,4 Int < Inf

n soportar las corrientes de enganche

12 Int < If (0,1 s)

n actuar antes de la destrucción deltransformador

I f (2s) < I f (0,1s)

n evitar que el fusible tenga que actuar en suzona crítica.

Buscar soluciones con Inf < I < I3 mediante unmedio adicional o complementario.

Regla que prevé la eliminación de un defecto importante BT

Regla de buen funcionamiento del fusible, si no hay conjunto interruptor-fusibles


ts: duración del tiempo de apertura mínima delcombinado provocada por el percutor,

td: duración del tiempo de apertura delcombinado bajo la acción del relé-disparador,

I4: corriente de transición asignada delcombinado,

I5: corriente de intersección asignada delcombinado,

n no solicitar al interruptor más allá de susprestaciones: corriente de transición inferior alvalor asignado.

I transición < I4

Ver anexo 2 para el detalle de cálculo.

Reglas de coordinación para el buen funcionamiento de un conjunto interruptor-fusibles(CEI 420)

n no solicitar al interruptor más allá de susprestaciones: corriente de transición inferior a lacorriente en caso de defecto en los bornes BT.

Itransición < Icc BT

(no todos los casos de defecto que afectan sóloa dos fases lado BT, quedan incluidos en estaregla).

n no solicitar al interruptor más allá de susprestaciones: corriente de intersección inferior asu valor asignado.

1,065 If (td + 0,02 s) < I5

Ver anexo 2 para detalle de cálculo.


Anexo 2: Cálculo de las corrientes de transición y deinserción de un conjunto interruptor-fusibles

Corriente de transición

Para determinar las características de loslímites de funcionamiento del conjunto, labúsqueda de las condiciones más severasposibles lleva a considerar el siguientefuncionamiento (figura 26 ):

n sometido a una corriente de defecto Id, elprimer fusible que funde está en la zona detolerancia mínima de la curva tiempo-corriente,

n los otros dos fusibles están en la toleranciamáxima y quedan sometidos, a partir delmomento en que corta la primera fase, a unacorriente de valor reducido 0,87 Id.

La norma CEI 420, que trata de los combinados,propone un cálculo detallado que lleva a lasiguiente conclusión: la corriente de transición esla corriente que corresponde a una duración de lafusión sobre la característica mínima igual a

t

s0,87 tt

1,13 1

α

α=−I

donde ts es el tiempo de apertura del combinadobajo la acción del percutor, y tiene la pendientede la característica tiempo-corriente del fusiblepróximo del punto considerado (figura 27 ).

t2

t

t1

Característicamáxima

Característicamínima

Id I0,87 Id

Fig. 26: Determinación de la corriente de transición.

t

ts Pendiente

Curva de fusióndel fusible

I

Fig. 27: Determinación del coeficiente de la pendientede la curva de función de un fusible.

Generalmente, es necesario un cálculorepetitivo, en varios pasos, debido a la variaciónde la pendiente a lo largo de la característica. Sepuede utilizar el valor de ts como valor inicial detIt para una iteración de este tipo (figura 28 ).

Los parámetros constructivos de los fusiblespueden variar de un calibre a otro en un mismotipo de producto. A título de ejemplo, en el tipoFUSARC de Merlin Gerin, el coeficiente α varíaentre 2,2 y 5,2.

La corriente de transición para cualquier fusibleutilizado en un combinado debe de ser inferior ala corriente de transición asignada delcombinado.

Ejemplos numéricosConsideremos un combinado interruptor-fusiblesequipado con fusibles de 80 A/24 kV, cuyotiempo de apertura por la acción del percutor esde 60 ms(ts).

Si se han escogido fusibles SIBA, la pendienteobtenida a partir de la característica es deα = 3,32; se obtiene así una duración de fusióna la transición igual a:


( )t

3,32

3,32

x0,87 60t 75,5ms

1,13 1= =

−I

o sea, después de las curvas de fusiónI t = 850 A. Si se han escogido fusibles MerlinGerin, se tiene α = 3,34, que es similar. La curvade transición se obtiene después de las curvasde fusión, It = 800 A. Por tanto, estos dosfusibles utilizados en el combinado RM6 tienenfuncionamientos equivalentes.

Consideremos ahora el mismo conjunto, perocon fusibles 125 A/12 kV. En el caso de fusiblesSIBA, las curva nos dan un coeficiente α = 3,1,o sea, un tiempo de fusión a la corriente detransición igual a 85 ms. La corriente detransición es entonces de 1 300 A. Si se utilizanfusibles Merlin Gerin, las curvas dan α = 2,65,o sea, un tiempo de fusión igual a 108 ms. Lacorriente de transición en entonces no mayor de870 A. En este caso, la elección de los fusiblesinfluye mucho en la solicitación del interruptor delcombinado, incluso si estos dos valorespudieran ser aceptables.

Fig. 28: Principio de establecimiento de la corrientede transición.

Curva defusión fusible

Tiempo aperturadel combinado ts

Pendiente de lacurva cerca de ts

Tiempos de fusión a lacorriente de transición

Valor de la corrientede transición

Tolerancia de lacurva fusible

Corriente de inserción

La corriente de inserción de un combinado(designada por I5) es la corriente deintersección máxima admisible. El constructor dela aparamenta proporciona el tiempo de apertura

t

Corrientede intersección

Tiempominirelé

+ 0,02 s

Curvarelé

Curva fusible

I

Fig. 29: Determinación del punto de intersección.

td del interruptor bajo la acción del relé dedisparo. Hay que asegurarse de que todos losfusibles utilizados en el combinado respeten lacorriente de inserción asignada (figura 29 ).

El caso peor, para un fusible dado, secaracteriza de la siguiente manera:

n funcionamiento «instantáneo» del reléexterno; la norma propone utilizar un tiempo dereacción de 20 ms para este funcionamientoinstantáneo. El tiempo de apertura resultante esentonces el tiempo de apertura del combinadobajo la acción del relé de disparo (td) aumentadoen 20 ms,

n fusible frío y al mínimo de su tolerancia (lanorma considera que la tolerancia para lascurvas de fusión es de ± 10% sobre la corriente,permitiendo utilizar un valor de dos márgenestípicos, o sea ± 6,5%).

La corriente de inserción indica sobre lacaracterística tiempo-corriente en lascondiciones antes expresadas, una duración dela fusión de td + 0,02 s.


Bibliografía

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Normasn CEI 71-1: Coordinación del aislamiento.

n CEI 71-2: Coordinación del aislamiento; guíade aplicación.

n CEI 76: Transformadores de potencia.

n CEI 255: Relés de protección.

n CEI 787: Guía de aplicación para la elecciónde los elementos de sustitución de fusibles ATdestinados a ser utilizados en circuitos contransformadores.

n CEI 420: Combinados interruptor-fusible.

n NF C 52-726: Transformateurs de puissancede type sec.

Cuadernos Técnicosn Sobretensiones y coordinación delaislamiento. Cuaderno Técnico nº 152.D. Fulchiron.

n Cálculo de corrientes de cortocircuito.Cuaderno Técnico nº 158. B. De Metz Noblat.

n El rayo y las instalaciones eléctricas MT.Cuaderno Técnico nº 168. B. De Metz Noblat.

n Los esquemas de conexión a tierra en BT(regímenes de neutro). Cuaderno Técniconº 172. B. Lacroix y R.Calvas.

n Los transformadores de distribución.Cuaderno Técnico de próxima aparición.M. Sacotte.


Fig. 30: Diagrama lógico de situaciones, criterios y soluciones.

Protección contradefectos internos

Protección contrasobretensiones

Protection contrafuncionamiento «mono»

Protección contralos defectos BT

Protección contralas sobrecargas

Red aéreao mixta

?

Esnecesarioeliminarel riesgo

?

Seadmiten

manifestacionesexternas

?

Privilegiarla continuidadaguas arriba

?

Se admiteel riesgo de

no-corte de losfusibles

?

Ante tododesconectar

el trafo?

Transformadorde resina

?

Sequiere

salvar eltrafo

?

Hayalguna

protecciónen BT

?

Posibilidadde defecto

< 4 In ?

Hayprotección

en BT?

Hayvarias

derivaciones?

Hayriesgo

?

Se puedecortar la

alimentación ausuarios

?

Haycargas

preferentes?

Pararayos Interruptorautomático

+ relé

Combinadointerruptor-

fusibles

Fusibles decorte

integral

Fusiblesasociados

Valoración delcompromisocoste/riesgo

Corrienteresidual ysondas detemperatura

NADA

Espeligroso

el funcionamientoen monofásico

?

NADA

Se admiteel riesgo

destruccióndel trafo

TermostatoImagentérmica

Termostato oimagen térmicao Imáx > en laprotección BT

Selectividadentrederivacionesy nivel superior

Desenganchey selectividadentre derivacionesy nivel superior

Corriente residualdesprendimientogases. PresiónTermostato

ProtecciónBT adaptadaa Imáx >>

NADA NADA

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Cuaderno Técnico nº 192