Diferencial de transformador 87T (PDIF): qué es y cómo funciona

Qué es la protección 87T (diferencial de transformador)

La protección diferencial de transformador compara lo que entra y lo que sale del equipo. En condiciones normales, y también ante una falla externa, la corriente que entra por un devanado sale por los otros, corregida por la relación de transformación y el desfase del grupo vectorial. Si aparece una diferencia significativa, esa corriente se está yendo a una falla dentro de la zona delimitada por los transformadores de corriente (CT).

Se identifica así en los tres sistemas de nomenclatura:

• ANSI/IEEE C37.2: 87, y por costumbre 87T para transformador.
• IEC 61850: nodo lógico PDIF (protección diferencial).
• IEC 60617: el símbolo de relé con corriente diferencial; su representación exacta depende de la edición del diagrama y del dibujante.

Es la protección principal del transformador contra fallas entre fases, fallas a tierra de magnitud suficiente y fallas en bujes y conexiones dentro de la zona.

Dónde se aplica

• Transformadores de potencia de subestaciones de transmisión y distribución, en alta y extra alta tensión.
• Transformadores elevadores de plantas de generación, incluidas plantas solares, y transformadores de servicios auxiliares grandes.
• Transformadores industriales de media tensión donde el costo del equipo o la continuidad del proceso lo justifican.
• Autotransformadores y transformadores de tres devanados.

En transformadores pequeños la protección suele limitarse a sobrecorriente y protecciones mecánicas. La decisión depende del tamaño, la criticidad y la filosofía del propietario, como describe IEEE C37.91.

Cómo funciona

1. Compensación. El relé numérico lleva las corrientes de todos los lados a una base común. Corrige la diferencia de relación entre CT (amplitud) y el desfase del grupo vectorial (por ejemplo, un Dyn11 desplaza 30°). También elimina la corriente de secuencia cero en el lado conectado en estrella aterrizada, porque una falla a tierra externa la hace circular solo por un lado y daría una diferencia falsa.

2. Característica porcentual. Con las corrientes ya compensadas, el relé calcula:

• Corriente diferencial: la suma fasorial de las corrientes de todos los lados, Id = |I1 + I2 + …|.
• Corriente de restricción (o estabilización): una medida de la corriente que atraviesa el transformador. Cada fabricante la define distinto (promedio, suma o máximo de magnitudes).

El relé dispara cuando Id supera una curva que crece con la restricción. La característica suele tener un umbral mínimo y una o dos pendientes. La primera pendiente cubre los errores proporcionales a la carga (error de CT, rango del cambiador de tomas); la segunda, más inclinada, da estabilidad ante fallas externas severas en las que algún CT puede saturarse.

3. Bloqueo por armónicos. Al energizar un transformador, la corriente de magnetización (inrush) entra por un solo lado y el relé la ve como diferencial. Esa corriente tiene un contenido alto de segundo armónico, que el relé usa para bloquear o restringir. De forma similar, la sobreexcitación produce corriente con quinto armónico, que se usa para evitar disparos por sobreflujo. Muchos relés ofrecen además bloqueo cruzado entre fases o métodos basados en la forma de onda.

4. Etapa no restringida. Por encima de un nivel alto de corriente diferencial, el relé dispara sin restricción ni bloqueo. Así no se demora en una falla interna severa que, por saturación de CT, podría generar armónicos.

El disparo va a todos los interruptores que alimentan el transformador, normalmente a través del relé de bloqueo 86.

Criterios de ajuste

Los ajustes salen de los datos del transformador, de los CT y del estudio de cortocircuito; no hay valores universales:

• Potencia, tensiones y grupo vectorial de la placa, y el rango del cambiador de tomas, que fija el error de relación que la primera pendiente debe absorber.
• Relación y clase de los CT, su carga y su comportamiento ante la falla externa máxima.
• Corriente de falla externa máxima, para verificar la estabilidad, y falla interna mínima, para verificar la sensibilidad.
• Umbral de armónicos, según la recomendación del fabricante y la experiencia con ese tipo de núcleo; los transformadores con núcleos modernos pueden producir inrush con poco segundo armónico.
• Etapa no restringida por encima de la máxima corriente de inrush esperada.

Los criterios generales de sensibilidad y seguridad se explican en criterios de ajuste de protecciones. El cálculo detallado es parte del estudio de coordinación de protecciones.

Cómo la implementa cada fabricante

El principio es el mismo, pero la forma de llevarlo al relé cambia bastante:

• Siemens SIPROTEC (DIGSI) organiza la función por objetos de protección y lados, y define la compensación a partir de los datos del transformador.
• SEL (AcSELerator QuickSet) suele trabajar con ajustes de compensación por matriz y valores de tap por devanado, con varias opciones de bloqueo y restricción por armónicos.
• Relion (Hitachi Energy 670/650; ABB 615/620) (PCM600) agrupa la diferencial con sus bloques de compensación y armónicos dentro de la configuración de la aplicación.
• GE Vernova (Multilin, EnerVista) define las fuentes de corriente y el transformador antes de habilitar el elemento.
• Schneider MiCOM/Easergy (MiCOM S1 o Easergy Studio) ajusta la compensación y la característica en sus propios menús.

Cambian la definición de la corriente de restricción, la forma de la curva, el método de bloqueo (por fase, cruzado, promedio) y la manera de expresar la compensación.

Por qué dispara o bloquea

Disparos y bloqueos que aparecen en campo, y qué revisar primero:

• Disparo al energizar: inrush con poco segundo armónico, umbral de bloqueo alto o bloqueo cruzado deshabilitado. También la energización de un transformador en paralelo (inrush simpático).
• Disparo con carga o con falla externa: grupo vectorial o compensación de secuencia cero mal configurados, un CT con polaridad invertida, relaciones de CT mal cargadas en el relé o un CT saturado. La prueba de oro es mirar la corriente diferencial con carga: debe ser casi nula.
• Disparo por sobreexcitación: tensión alta o frecuencia baja, sin bloqueo por quinto armónico. Se coordina con la protección de sobreexcitación 24.
• No disparo o disparo lento ante falla interna: bloqueo por armónicos demasiado sensible o falla a tierra de baja corriente en un devanado aterrizado por impedancia, que la 87T no ve. Para eso existe la falla a tierra restringida 87N.
• Circuito de CT abierto o un bloque de pruebas mal cerrado después de un mantenimiento.

Lo primero es descargar el registro oscilográfico y el reporte de eventos, y comparar las corrientes de cada lado ya compensadas.

Cómo se prueba

Con una maleta de inyección secundaria, como la Omicron CMC 356, se verifica en general:

• La compensación de amplitud y de grupo vectorial, inyectando corrientes balanceadas en ambos lados que el relé debe ver como pasantes (diferencial casi cero).
• El umbral mínimo y los puntos de la característica porcentual, en varias pendientes y fases.
• El bloqueo por segundo y quinto armónico, inyectando corrientes con contenido armónico controlado.
• La etapa no restringida y los tiempos de operación.
• El disparo real a todos los interruptores y el 86.

En la puesta en servicio se completa con la verificación con carga: las corrientes diferenciales medidas por el relé deben ser pequeñas en todas las fases. Las pruebas del equipo primario están en pruebas a transformadores de potencia.

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Referencias

• IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms and Contact Designations.
• IEEE C37.91, Guide for Protecting Power Transformers.
• IEC 60255-187-1, Functional requirements for differential protection (motores, generadores y transformadores).
• IEC 61850-7-4, modelos de nodos lógicos (PDIF).
• IEEE C37.110-2023, Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Purposes.
• J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

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