Identificación del Punto de Saturación de los Transformadores de Corriente

Uno de los métodos más directos para detectar la saturación de un transformador de corriente (CT) es cargar el lado secundario con una carga real y pasar corriente a través del lado primario, observando la corriente secundaria para identificar el punto de saturación. Sin embargo, para los CT de grado de protección, donde el punto de saturación puede exceder de 10 a 20 veces la corriente nominal, realizar esta prueba en el campo puede ser un desafío.

Otro método para determinar el punto de saturación de un CT es a través de la prueba de características de voltaje-corriente (V-I). Como se mencionó, la saturación del CT ocurre cuando la densidad de flujo magnético en el núcleo supera un umbral determinado. Este punto de saturación se puede reflejar en la fuerza electromotriz (EMF) inducida del CT. Al trazar la curva característica V-I e identificar el voltaje de saturación, se puede calcular la corriente de saturación correspondiente. La prueba V-I implica aplicar corriente al lado secundario del CT mientras se mantiene abierto el lado primario y medir la caída de voltaje a través del devanado secundario. Debido a que no hay un efecto desmagnetizante de la corriente primaria, el núcleo es más probable que se sature con corrientes relativamente pequeñas. Este método es más fácil de implementar en el campo ya que no requiere valores grandes de corriente.

En condiciones normales de operación, el flujo magnético del núcleo de un CT permanece sin saturar. En este estado, la impedancia de carga y la corriente magnetizante son relativamente bajas, y la impedancia magnetizante es alta, asegurando que el potencial magnético en los devanados primario y secundario esté equilibrado. Sin embargo, cuando la densidad de flujo magnético en el núcleo aumenta y se acerca a la saturación, la impedancia magnetizante (Zm) disminuye rápidamente, rompiendo la relación lineal entre la corriente magnetizante y la corriente inducida. La saturación típicamente resulta de una corriente excesiva o una carga alta, lo que aumenta el voltaje secundario y, subsecuentemente, la densidad de flujo magnético del núcleo.

Características de los Transformadores de Corriente Saturados

Cuando un CT se satura, ocurren los siguientes efectos:

• La corriente secundaria disminuye significativamente.
• La forma de onda de la corriente se distorsiona considerablemente, exhibiendo componentes armónicos de orden superior.
• La resistencia interna del CT disminuye, acercándose a cero.
• En caso de una falla, si la forma de onda de la corriente cruza cero, el CT aún puede pasar la corriente linealmente.
• El proceso de saturación generalmente se retrasa aproximadamente 5 segundos después de que ocurre la falla.

Además, el circuito secundario de un CT nunca debe dejarse abierto durante su operación. Si el lado secundario está abierto, la corriente primaria se convierte en corriente magnetizante, lo que provoca un rápido aumento en la densidad de flujo magnético, lo que hace que el CT se sature rápidamente. La saturación lleva a la generación de altos voltajes que pueden dañar tanto la aislamiento primario como el secundario, lo que representa un riesgo significativo para la seguridad.

Impacto de la Protección del Transformador y Contramedidas

Los transformadores generalmente tienen una capacidad pequeña y alta fiabilidad, y se instalan comúnmente en buses de 10kV o 35kV. La corriente de cortocircuito en el lado de alto voltaje de un transformador suele ser similar a la corriente de cortocircuito del sistema, mientras que el lado de bajo voltaje experimenta una corriente de cortocircuito relativamente mayor. La protección insuficiente para los transformadores puede afectar gravemente el funcionamiento seguro del transformador y todo el sistema.

La protección tradicional del transformador utiliza dispositivos basados en fusibles, que ofrecen protección confiable, pero son cada vez más insuficientes a medida que la automatización del sistema y la capacidad de cortocircuito crecen. Para las subestaciones recién construidas o mejoradas, el interruptor y los dispositivos de protección del transformador generalmente se configuran de manera similar a la protección de la línea de 10kV, pero el problema de la saturación del transformador de corriente a menudo se pasa por alto.

Debido a la pequeña capacidad y corriente primaria relativamente baja de los transformadores, a menudo se utilizan CT compartidos. Para garantizar una medición precisa, se reduce la relación del CT. Sin embargo, cuando ocurre una falla en el transformador, el CT puede saturarse, reduciendo la corriente secundaria y evitando que se active correctamente la protección. Si ocurre una falla en el lado de alto voltaje, la protección de respaldo puede limpiar la falla. Sin embargo, si la falla ocurre en el lado de bajo voltaje, la corriente de cortocircuito generada puede no alcanzar el valor requerido para activar la protección de respaldo, lo que podría causar que el transformador se queme y afecte gravemente la seguridad del sistema.

Para prevenir fallos de protección, los transformadores deben configurarse adecuadamente, asegurando que los CT seleccionados sean adecuados tanto para la detección de fallas como para la medición. Los CT de medición deben instalarse en el lado de bajo voltaje del transformador para garantizar la precisión de la medición, mientras que los CT de protección generalmente se colocan en el lado de alto voltaje para garantizar la operación confiable de la protección.

Impacto de la Protección de Corriente y Contramedidas

Cuando un transformador de corriente se satura, la corriente equivalente secundaria disminuye, lo que lleva a fallos en la protección. En casos donde la impedancia de la línea es alta o la distancia desde la fuente de energía es grande, la corriente de cortocircuito en la salida de la línea puede ser más pequeña. Sin embargo, a medida que el sistema se expande, la corriente de cortocircuito aumenta, lo que puede llegar a cientos de veces la corriente primaria del CT, causando la saturación del CT. Además, las fallas de cortocircuito son transitorias por naturaleza y contienen muchos componentes de frecuencia diferentes, lo que acelera el proceso de saturación.

Por ejemplo, cuando ocurre una falla de cortocircuito en una línea de 10kV, la saturación del CT puede reducir la corriente secundaria, lo que hace que los dispositivos de protección no operen. El aislamiento de las barras de bus o el lado de bajo voltaje del transformador principal puede extender la duración de la falla y aumentar el área afectada, comprometiendo la fiabilidad del suministro y amenazando potencialmente la seguridad del equipo.

Para mitigar estos problemas, se deben enfocar los esfuerzos en reducir la impedancia de carga del CT, evitar CTs compartidos, y aumentar el área transversal y la longitud del cable. La relación del CT no debe ser demasiado pequeña, y se deben tener en cuenta los problemas de saturación causados por fallas de cortocircuito.

Conclusión

Cuando se diseñan y operan transformadores de corriente, es esencial tener en cuenta los efectos de la saturación, ya que afectan directamente tanto a la protección del transformador como a los sistemas de protección de corriente. Al elegir CTs de tamaño adecuado y tomar medidas preventivas, se puede minimizar el riesgo de saturación, asegurando el funcionamiento adecuado de los mecanismos de protección y la seguridad general del sistema eléctrico.

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