Buchholz 63, presión y temperatura 26/49 del transformador

Qué son las protecciones mecánicas del transformador

Una falla dentro de un transformador sumergido en aceite produce efectos físicos antes, o además, de alterar las corrientes: el arco descompone el aceite y genera gas, empuja el aceite hacia el conservador y eleva la presión del tanque. Una sobrecarga o una falla de refrigeración, en cambio, se manifiesta como temperatura. Las protecciones mecánicas (o propias del transformador) vigilan esos efectos.

Se identifican así según ANSI/IEEE C37.2:

• 63, interruptor de presión (por valor o por tasa de cambio); el interruptor de flujo es el 80. Por costumbre es el número que suele asignarse al relé Buchholz y al relé de presión súbita. La válvula de alivio de presión también se marca a menudo con 63, con sufijos que varían entre usuarios.
• 26, dispositivo térmico del aparato: el termómetro de aceite.
• 49, relé térmico de máquina o transformador: el termómetro o imagen térmica de devanado, y también la función térmica calculada en el relé numérico (nodo lógico PTTR en IEC 61850).
• 71, nivel de líquido: el indicador de nivel del conservador, que suele acompañarlas.

Estas protecciones complementan a la diferencial de transformador 87T: el Buchholz detecta fallas entre espiras y defectos incipientes de baja energía que no producen corriente diferencial suficiente.

Dónde se aplica

• Transformadores y reactores de potencia sumergidos en aceite con conservador, en media, alta y extra alta tensión.
• Cambiadores de tomas bajo carga, que tienen su propio relé de flujo de aceite.
• Transformadores herméticos sin conservador, donde no hay Buchholz y se usan relés de presión y detectores de gas propios de ese diseño.
• Transformadores secos, donde se usa solo la vigilancia de temperatura de devanados con sensores embebidos.

Cómo funciona

Relé Buchholz (63). Se instala en la tubería entre el tanque y el conservador. Tiene dos elementos:

• Alarma (primera etapa): un flotador baja cuando se acumula gas en la cámara del relé. Indica una falla lenta, como un punto caliente, descargas parciales o aire.
• Disparo (segunda etapa): una paleta o un segundo flotador opera con un flujo brusco de aceite hacia el conservador, típico de un arco, o con una pérdida grande de aceite.

El gas acumulado se puede muestrear por la válvula del relé y analizar. Su composición distingue el aire de los gases de una falla eléctrica o térmica.

Relé de presión súbita. Responde a la velocidad de aumento de la presión, no a su valor absoluto, por lo que ignora los cambios lentos por temperatura y opera con fallas internas que producen una onda de presión.

Válvula de alivio de presión. Abre mecánicamente para liberar presión del tanque y evitar su ruptura. Tiene contactos que señalizan su operación, y su indicador queda visible hasta que se rearma.

Temperatura de aceite (26). Un bulbo en la parte superior del tanque mide el aceite más caliente. El indicador tiene varios contactos ajustables para arrancar ventiladores y bombas, dar alarma y disparar.

Temperatura de devanado (49). El punto más caliente del devanado no se mide directamente en la mayoría de transformadores. La imagen térmica lo estima: una resistencia de calentamiento alimentada por un CT proporcional a la carga agrega al bulbo de aceite el gradiente devanado-aceite. Algunos transformadores tienen además sensores de fibra óptica en el devanado. Los relés numéricos calculan una función térmica equivalente a partir de la corriente; vea sobrecarga térmica 49.

Los disparos suelen ir al relé de bloqueo 86, que abre todos los interruptores del transformador e impide su cierre hasta una revisión.

Criterios de ajuste

• Buchholz: la sensibilidad (volumen de gas y velocidad de flujo) la fija el fabricante del relé según el diámetro de la tubería y el tamaño del transformador. No se ajusta en campo; se verifica.
• Temperaturas de aceite y devanado: los umbrales de ventilación, alarma y disparo dependen de la clase de aislamiento, del sistema de refrigeración y de la política de carga del propietario. Las guías de carga IEC 60076-7 e IEEE C57.91 dan el marco; los valores salen del fabricante del transformador.
• Imagen térmica: la corriente de calentamiento se ajusta para reproducir el gradiente del ensayo de calentamiento del protocolo de fábrica.
• Destino de cada contacto: qué alarma, qué dispara y qué arranca refrigeración, según la filosofía de protección.

Cómo la implementa cada fabricante

Aquí hay dos fabricantes involucrados: el del transformador, que suministra los dispositivos mecánicos, y el del relé, que recibe sus contactos. En los relés de Siemens SIPROTEC, SEL, Relion (Hitachi Energy y ABB), GE Vernova (Multilin) y Schneider MiCOM/Easergy, las señales del Buchholz, la presión y la temperatura suelen entrar como entradas binarias que se asignan a disparo, alarma o registro, cada uno con su software (DIGSI, AcSELerator QuickSet, PCM600, EnerVista, MiCOM S1 o Easergy Studio). Algunos relés aceptan sondas de temperatura (RTD) directamente o a través de módulos externos, y ofrecen la función térmica 49 calculada. Cómo se nombra cada entrada, si se filtra y cómo se integra con el 86 depende de la marca y del diseño de control.

Por qué dispara o bloquea

• Alarma de Buchholz sin falla: aire después de un llenado o de un mantenimiento, o entrada de aire por una fuga del lado de succión de una bomba.
• Disparo de Buchholz por flujo: arranque de bombas de aceite que mueve el aceite bruscamente, sismos o vibración fuerte, además de una falla interna real.
• Disparos espurios por cableado: humedad en la caja de bornes del relé, aislamiento dañado del cable de control o falla a tierra en el sistema de corriente continua que activa una entrada binaria.
• Disparo por temperatura: sobrecarga real, ventiladores o bombas fuera de servicio, radiadores con válvulas cerradas, o una imagen térmica mal calibrada.
• Válvula de alivio operada: falla interna severa o, a veces, un dispositivo dañado que hay que inspeccionar.

Ante un disparo del Buchholz no se debe reenergizar sin analizar el gas y el aceite. La toma de muestras de aceite y el análisis de gases disueltos orientan la decisión.

Cómo se prueba

• Buchholz: se inyecta aire por la válvula de prueba para verificar la alarma, y se acciona el mecanismo de prueba para el disparo, según el procedimiento del fabricante. Se verifica que cada contacto llegue al relé y al 86.
• Termómetros: se comparan con un patrón (por ejemplo, en un baño térmico) y se verifica la operación de cada contacto.
• Imagen térmica: se inyecta la corriente de calentamiento con una fuente secundaria (como la Omicron CMC 356) y se comprueba el gradiente.
• Circuito completo: del contacto en el transformador al disparo real de los interruptores, con medida del aislamiento del cableado.

Estas verificaciones forman parte de las pruebas a transformadores de potencia en la puesta en servicio y el mantenimiento.

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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 60076-7, Loading guide for mineral-oil-immersed power transformers.
• IEEE C57.91, Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step-Voltage Regulators.
• IEC 60567, muestreo y análisis de gases libres y disueltos en equipos con aceite.
• IEC 60599, interpretación del análisis de gases disueltos y libres.
• J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

Preguntas frecuentes