Ante la frecuencia con la que se producen accidentes por cortocircuito en los transformadores, debemos profundizar en el análisis de las causas subyacentes, examinar las condiciones que provocan los cortocircuitos y elaborar estrategias para minimizar su frecuencia y su impacto, además de verificar las pruebas de cortocircuito de los transformadores. Este enfoque proactivo será crucial para garantizar el funcionamiento normal del sistema eléctrico y mantener la confiabilidad del suministro de energía.

El transformador es un componente fundamental para garantizar la seguridad y la estabilidad de la red eléctrica. Dada la complejidad de su fabricación y sus altos costos, asegurar el funcionamiento sin fallas del transformador reviste una importancia enorme para el sistema eléctrico.

1. Cortocircuito en el transformador

1.1 Causas de los cortocircuitos en los transformadores

1) Cortocircuito en la estructura

1.La temperatura y el método de bobinado son factores importantes que provocan cortocircuitos en los transformadores. La temperatura tiene un gran impacto en la curvatura y la resistencia del alambre. A medida que aumenta la temperatura del alambre, su curvatura y resistencia disminuyen en distintos grados; al mismo tiempo, también disminuye el alargamiento del alambre.

Al diseñar un transformador, el cableado suele analizarse en condiciones de temperatura ambiente, lo que a menudo lleva a pasar por alto las condiciones reales de funcionamiento. Sin embargo, a la capacidad nominal del transformador, la temperatura de los devanados supera significativamente la temperatura ambiente, pudiendo llegar a más de 100 ℃

A medida que aumenta la temperatura del bobinado, su resistencia a la flexión y a la tracción se reducirán significativamente. Un bobinado flojo, así como los hilos y las espiras mal fijados debido a medidas de curado inadecuadas, hacen que el cable se deforme fácilmente durante el funcionamiento, lo que provoca un cortocircuito en el transformador.

2. El efecto de un cortocircuito en el transformador varía según el tipo de cable. El alambre de transposición común, debido a su baja resistencia mecánica, se deforma bajo la acción de fuerzas externas, lo que provoca que el cobre quede expuesto de vez en cuando. A la corriente nominal, el par de torsión en ambas partes es mayor, incluyendo la torsión del cable de transposición al subir y los extremos del bobinado del carrete; este par de torsión es consecuencia directa de la distorsión o incluso la deformación del conductor, lo que aumenta considerablemente el riesgo de cortocircuito dentro del transformador.

Los conductores blandos fueron la causa más importante de los cortocircuitos en los transformadores en sus inicios. Debido a la falta de concientización y a cuestiones de costo, los fabricantes utilizan cables blandos en lugar de cables duros en la producción, lo que ha hecho que el tipo de cable sea una de las causas más importantes de los cortocircuitos en los transformadores.

2) Funcionamiento en cortocircuito

La corriente de cortocircuito prolongada es la principal causa de los cortocircuitos en funcionamiento. Por lo general, cuando se produce una falla por cortocircuito dentro del rango de protección de la interrupción de corriente, el dispositivo de protección de relés puede garantizar que la falla se elimine rápidamente sin demora; tomando en cuenta el retraso inherente a la acción mecánica de la situación, la corriente de cortocircuito dura un período de tiempo que, por lo general, no excede los 250 ms, pero la realidad es diferente:

En primer lugar, debido a la naturaleza selectiva de la protección de relés, en el lado de distribución de la red no se suele utilizar una protección de interrupción de corriente, sino una protección contra sobrecorriente de tiempo fijo; además, el lado de distribución también forma parte del circuito de cortocircuito;

En segundo lugar, aunque los requisitos de protección por relés son que sean de acción rápida, selectivos, sensibles y confiables, esto no garantiza que no se produzcan casos en los que el dispositivo de protección por relés no se active; y cuando la protección no se activa, la falla persiste durante un período de tiempo más prolongado, a veces hasta unos minutos o incluso unas horas, el tiempo que el conductor del transformador debe soportar la gran corriente de cortocircuito aumenta significativamente por encima de su estabilidad térmica, lo que provocará que la corriente de cortocircuito, al tener que ser soportada por el conductor del transformador durante un período prolongado, supere su estabilidad térmica y cause una falla por cortocircuito;

Por último, para garantizar un funcionamiento seguro y confiable del sistema eléctrico, es necesario que la protección por relés cuente con un dispositivo de reconexión; si la falla es permanente, el proceso de reconexión producirá un impacto secundario en el transformador, ya que, al ocurrir el cortocircuito, la sobrecorriente hace que la temperatura del conductor del transformador aumente drásticamente, la resistencia a la flexión del conductor es muy baja, por lo que es probable que la corriente de impacto secundario provoque un accidente de cortocircuito en el transformador.

1.2 Síntomas de un cortocircuito en un transformador

Los cortocircuitos en los transformadores causan un gran perjuicio al funcionamiento seguro y estable de la red eléctrica. Por lo tanto, un estudio a fondo de los síntomas de los cortocircuitos en los transformadores nos ayudará a diseñar de manera proactiva estrategias preventivas, con el fin último de reducir la incidencia de estos cortocircuitos.

En la actualidad, los síntomas de un cortocircuito en un transformador incluyen: el cortocircuito externo, que, debido a la reconexión, provoca múltiples impactos de cortocircuito. Esto causa una deformación grave de la bobina conductora del transformador y da lugar a daños en el aislamiento o incluso a su ruptura.Cuando se produce un cortocircuito externo, las frecuentes sacudidas de cortocircuito a intervalos cortos acabarán provocando daños por cortocircuito en el transformador.

Daño por cortocircuito en el transformador causado por el impacto de un cortocircuito prolongado debido a la falla del dispositivo de protección por relé. El transformador resulta dañado por un impacto de cortocircuito provocado por una corriente de cortocircuito elevada.

2. Medidas de prevención y control de cortocircuitos en transformadores

2.1 Instalación correcta del transformador

El transformador debe estar diseñado para cumplir con los requisitos de las condiciones reales de funcionamiento, y su instalación debe realizarse respetando estrictamente la capacidad nominal indicada en la placa de identificación del transformador, así como la corriente nominal, la tensión nominal, la impedancia nominal y el grupo de devanados. La instalación del transformador debe ir acompañada de un certificado de fábrica que garantice que el transformador es un producto calificado de un fabricante reconocido.

Se deben revisar minuciosamente las estructuras del transformador para detectar posibles problemas de calidad, incluyendo si las secciones de acero presentan corrosión, si los pernos son del tipo galvanizado y si cuenta con arandelas planas y arandelas elásticas de acuerdo con sus especificaciones. También se debe verificar si la pintura antioxidante y la pintura aislante cuentan con certificados de conformidad.

Una vez finalizada la construcción e instalación, se debe verificar que las dimensiones y la estructura cumplan con los requisitos del diseño; además, en el caso de los transformadores de interior, se debe comprobar que no haya fugas en el techo y que el piso dentro de la casa esté nivelado y limpio.

2.2 Configuración óptima de la protección del transformador

El uso de protecciones electromecánicas controladas por microcomputadora reduce considerablemente los accidentes por cortocircuito en los transformadores; sin embargo, para garantizar la rapidez, sensibilidad y confiabilidad de la acción de la protección, también es necesario incluir en la configuración de la protección la instalación de protecciones diferenciales de barras, protecciones contra fallas, etc.

La protección propia del transformador también es importante; tanto en el lado de media tensión como en el de baja tensión del transformador es necesario configurar la protección para limitar la velocidad de respuesta, de modo que, en caso de falla en la salida del transformador, esta se pueda aislar rápidamente y así reducir el impacto de la corriente de cortocircuito en el transformador.

Al elegir un transformador, se debe optar por uno con una alta resistencia a los cortocircuitos y ajustar adecuadamente la forma de conexión a la red principal, a fin de reducir el impacto de la corriente de cortocircuito en caso de falla en el transformador. Otra medida para reducir la corriente de cortocircuito del transformador consiste en instalar un reactor limitador de corriente en la línea.

En los últimos años, debido a la insuficiente capacidad de conmutación y a que con frecuencia se producen cortocircuitos en el transformador, por lo que es muy necesario instalar interruptores de gran capacidad tanto en el lado del transformador como en el de baja tensión; al mismo tiempo, debido a la gran capacidad del pararrayos de óxido de zinc para soportar sobretensiones, también es aplicable a la protección del transformador y de la barra colectora, la distancia de fuga es mayor y el recipiente antisuciedad ofrece un mejor aislamiento, lo que puede prevenir eficazmente los cortocircuitos en la salida del transformador.

2.3 Analizar las características dinámicas de los cortocircuitos en transformadores

El cortocircuito en la red eléctrica y el impacto de la corriente de cortocircuito en el transformador se manifiestan, en realidad, como vibraciones en los devanados del transformador; por lo tanto, el estudio de las características de vibración de los devanados del transformador constituye una medida eficaz para prevenir los cortocircuitos en el transformador. El campo magnético generado por la corriente de cortocircuito producirá tensión mecánica en el devanado del transformador, lo cual está relacionado con el aislamiento del alambre electromagnético, la configuración del devanado, la frecuencia, etc. Si la frecuencia intrínseca del devanado y la frecuencia de la tensión mecánica son similares, se producirá resonancia, lo que agravará la vibración del devanado.

3 Pruebas de impedancia en caso de cortocircuito en transformadores

La prueba de impedancia de cortocircuito de los transformadores es una prueba importante en la ingeniería de transformadores durante la entrega, el mantenimiento, las pruebas de funcionamiento y la entrega al usuario, y puede utilizarse para evaluar la capacidad de cortocircuito del transformador y la seguridad operativa.

3.1 El principio de las pruebas de impedancia en caso de cortocircuito en transformadores

La impedancia de cortocircuito de un transformador se refiere a la relación entre la caída de tensión y la corriente de cortocircuito entre los devanados primario y secundario del transformador cuando este se encuentra en estado de cortocircuito.

La magnitud de la impedancia de cortocircuito influye directamente en el proceso transitorio electromagnético y en la magnitud de la corriente de cortocircuito en una situación de cortocircuito. Por lo tanto, reviste gran importancia para la capacidad de cortocircuito y la seguridad operativa del transformador.

3.2 Método de prueba de impedancia de transformadores

Las pruebas de impedancia de cortocircuito de los transformadores suelen realizarse mediante el método de inyección de corriente. Los pasos operativos específicos son los siguientes: primero, se cortocircuitan el devanado principal y el devanado secundario del transformador; luego, se excita el transformador inyectando corriente para medir el voltaje y la corriente del devanado principal y del devanado secundario; y, finalmente, se calcula la impedancia de cortocircuito del transformador según los resultados de la medición.

Al realizar la prueba de impedancia de cortocircuito del transformador, se deben tener en cuenta los siguientes puntos. En primer lugar, la prueba debe realizarse cuando el transformador se encuentre en condiciones normales de funcionamiento, sin carga o con carga ligera. En segundo lugar, la frecuencia de la corriente inyectada debe ser la misma que la frecuencia nominal del transformador, que suele ser de 50 Hz.

Además, para garantizar la precisión de la prueba, se debe revisar y calibrar antes de la prueba para asegurar la precisión de los instrumentos y equipos de medición.

El valor de la impedancia de cortocircuito de un transformador se puede obtener mediante la prueba de impedancia de cortocircuito del transformador, y los métodos de expresión más comunes son la impedancia porcentual y la impedancia absoluta. La impedancia porcentual es la relación entre la impedancia de cortocircuito del transformador y la tensión nominal; por lo general, se utiliza para evaluar la capacidad de cortocircuito del transformador. La impedancia absoluta es el valor real de la impedancia de cortocircuito del transformador; por lo general, se utiliza para calcular la corriente de cortocircuito del transformador.

La prueba de impedancia de cortocircuito del transformador es una prueba indispensable en la ingeniería de transformadores, ya que permite evaluar la capacidad de cortocircuito y la seguridad operativa del transformador. El valor de la impedancia del transformador se puede obtener mediante la prueba de impedancia de cortocircuito, lo que proporciona una base de referencia importante para el diseño, la operación y el mantenimiento del transformador. Por lo tanto, al llevar a cabo proyectos de ingeniería de transformadores, es imprescindible realizar la prueba de impedancia de cortocircuito para garantizar el funcionamiento seguro y confiable del transformador.