Componentes y Sistemas de Protección en Transformadores Eléctricos

Elementos Fundamentales de una Instalación Eléctrica

Una instalación eléctrica de alta tensión, como una subestación, se compone de diversos elementos esenciales, entre los que se incluyen:

• Obra civil
• Transformadores (Trafos)
• Aparamenta de mando y protección
• Canalizaciones
• Servicios auxiliares
• Equipos de medida
• Equipos contra incendios

Sistemas de Regulación y Componentes del Transformador

Cambiador de Tomas: Regulación de la Tensión

El cambiador de tensión es un dispositivo que actúa sobre las espiras de los devanados para variar la relación de transformación y, por tanto, la tensión de salida. Existen varios tipos:

• NTCL (No-Load Tap Changer) o Conmutador de Tomas en Vacío: Este dispositivo requiere que el transformador esté desenergizado para poder cambiar de toma. Puede actuar sobre cualquiera de los bobinados, aunque lo más usual es que lo haga sobre el de mayor tensión.
• OLTC (On-Load Tap Changer) o Conmutador de Tomas en Carga: Se utiliza cuando la interrupción del suministro de energía no es aceptable durante el cambio de toma. Su accionamiento puede ser manual o automático.
• OLTC con Tecnología de Vacío: Una variante del cambiador en carga donde el interruptor de conmutación opera en una cámara de vacío. Esto evita la formación de arcos eléctricos que puedan dañar los contactos o degradar el aceite aislante.
• VRDT (Voltage Regulating Distribution Transformer): Se trata de un transformador de distribución equipado con un regulador de tensión en carga. Su función es regular la tensión en el lado de Baja Tensión (BT) sin necesidad de interrumpir el suministro.

Grupos de Conexión de Devanados

Las configuraciones de los devanados en transformadores trifásicos determinan sus características operativas:

• Conexión Y-y (Estrella-Estrella): Con ambos neutros puestos a tierra, es una configuración que funciona bien sin desequilibrios y no introduce ciertos armónicos.
• Conexión Y-d (Estrella-Triángulo): Adecuada si no se requiere una conexión a tierra en el secundario. Tampoco introduce ciertos armónicos. Es una configuración común en transformadores trifásicos con cambiador de tomas.

Sistemas de Conservación del Aceite Aislante

Para proteger el aceite dieléctrico de la oxidación y la humedad, se emplean diferentes sistemas:

• Sistema abierto al aire: El conservador está en contacto con la atmósfera, usualmente a través de un desecador.
• Sistema con membrana: Una membrana flexible separa el aceite del aire dentro del depósito de expansión.
• Sistema con gas inerte a presión: Se introduce un gas inerte (como nitrógeno) sobre la superficie del aceite para evitar el contacto con el oxígeno.
• Cuba hermética con colchón de gas: La cuba está sellada y contiene un volumen de gas que se expande y contrae con la temperatura.
• Cuba hermética con llenado integral: La cuba está completamente llena de aceite y sus paredes son flexibles para absorber las variaciones de volumen.

Dispositivos de Protección y Supervisión en Transformadores

Relé Buchholz: Detección de Fallos Internos

El Relé Buchholz es un dispositivo de protección accionado por gas y líquido, ubicado en la tubería que une la cuba principal con el depósito conservador. Protege al transformador contra diversos fallos internos:

• Emisión de gases por degradación del aislamiento.
• Flujo anómalo de líquido hacia el conservador.
• Pérdida de líquido en el conservador.

Causas de Disparo del Relé Buchholz

• Acumulación de gas: Un desprendimiento lento de gas, producto de un fallo incipiente (donde el arco eléctrico no es suficientemente grande para causar un aumento brusco de presión), se acumula en el relé. Al alcanzar cierta cantidad, acciona un contacto de alarma (cambio del bulbo magnético).
• Pérdida de líquido aislante: Una fuga en el sistema provoca que el nivel de aceite descienda, activando una alarma o disparo.
• Velocidad de flujo excesiva: Un fallo grave, como un cortocircuito franco, provoca una subida instantánea de la presión y un flujo violento de aceite hacia el conservador. Esto acciona el contacto de disparo del relé.

En transformadores de llenado integral, las funciones de protección se distribuyen en dispositivos específicos para la detección de gas, presión y temperatura.

Otras causas de fallos detectables:

• Exceso de presión: Generalmente causado por un cortocircuito franco que genera una subida instantánea de la presión.
• Exceso de temperatura: Puede deberse a un calentamiento localizado por un mal contacto o a una sobrecarga general del transformador.

Relé de Imagen Térmica: Control de Temperatura

Este dispositivo supervisa la temperatura de los componentes críticos del transformador:

• Temperatura del aceite: Se mide de forma autónoma, a menudo mediante un sensor con un capilar que transmite la lectura al medidor.
• Temperatura del devanado: La temperatura del devanado es siempre mayor que la del aceite debido al paso de la corriente. Se estima midiendo la corriente con un transformador de intensidad (TI) y simulando el incremento de temperatura a través de una resistencia calefactora en el propio relé.

Liberadores de Presión: Seguridad ante Sobrepresiones

Su función es evitar la deformación o ruptura de la cuba del transformador debido a una sobrepresión interna súbita. Actúan liberando la presión al exterior.

Tipos y Funcionamiento

• Membranas de ruptura: Discos diseñados para romperse a una presión predeterminada.
• Válvulas liberadoras de presión: Dispositivos con resorte que se abren cuando la presión supera un umbral y se cierran cuando esta se normaliza.

Estos elementos suelen actuar en conjunto con otros dispositivos, como contactos eléctricos que disparan alarmas o la desconexión del transformador.

Indicadores de Nivel de Aceite

Son dispositivos visuales (generalmente con contactos eléctricos) que supervisan el nivel de aceite tanto en la cuba principal o conservador del transformador como en el compartimento del cambiador de tomas. Provocan alarmas por niveles anómalamente bajos o altos.

Desecador de Aire: Protección contra la Humedad

La humedad es la principal causa de envejecimiento prematuro del aceite dieléctrico y del aislamiento sólido (papel) del transformador.

Desecador con Gel de Sílice (Silicagel)

Es el sistema más común en transformadores con depósito de expansión. El aire que entra al conservador debido a la contracción del aceite pasa a través de un recipiente con silicagel, que absorbe la humedad.

• Indicador de saturación: El silicagel cambia de color (tradicionalmente de azul a rosa, aunque ahora se usan otros colores por motivos medioambientales) para indicar su nivel de saturación de humedad, momento en el cual necesita ser reemplazado o regenerado.
• Regeneración: La regeneración se realiza calentando el gel para evaporar la humedad. Existen también desecadores "sin mantenimiento" que incorporan una resistencia para regenerar el silicagel automáticamente.

Sistemas de Secado en Línea

Existen equipos que permiten secar el aceite sin necesidad de parar el transformador. Estos sistemas, que pueden ser móviles o permanentes, extraen el aceite, lo tratan para eliminar la humedad y lo devuelven a la cuba.