Un equipo conectado al lado de baja tensión de un transformador alimentado por una línea aérea no está libre de rayos y maniobras: las sobretensiones pasan del devanado de alta al de baja por transferencia capacitiva e inductiva, y las temporales por desequilibrio de tensiones. El efecto depende de la construcción del transformador, de su conexión y de la carga del lado receptor.
Respuesta corta
Un equipo conectado al lado de baja tensión de un transformador no queda libre de las sobretensiones de la línea aérea del lado de alta. Los rayos y las maniobras pasan de un devanado a otro, en parte por las capacitancias entre devanados y en parte por el acoplamiento magnético. Las fallas a tierra del lado primario también pueden elevar la tensión del secundario. La norma IEC 60071-2 trata el tema en su anexo E y recuerda, en su cláusula 7.2.1.1, que estos efectos deben considerarse en la coordinación de aislamiento, con pararrayos del lado de baja si hace falta.
Tres caminos de transferencia
El anexo E describe tres modos de transferencia:
- Electrostática o capacitiva. Pasa por las capacitancias entre devanados.
- Oscilatoria. Ocurre por las oscilaciones naturales de los circuitos primario o secundario. Normalmente es pequeña y de importancia secundaria, salvo que la amplifique una resonancia. La norma no la desarrolla.
- Electromagnética normal. Depende sobre todo de la relación de transformación, la inductancia de dispersión y la impedancia de la carga.
Una sobretensión transferida suele tener un componente capacitivo y otro inductivo, superpuestos a la tensión de frecuencia industrial. El capacitivo está en el rango de los megahertz y se ve primero en la onda transferida. El inductivo viene después, y su forma y amplitud cambian en el tiempo porque la distribución de tensión en el devanado primario también cambia.
Hay un caso especial: la elevación capacitiva del potencial del neutro durante fallas a tierra y otros eventos asimétricos. Aparece en transformadores con una relación de espiras entre alta y baja excepcionalmente grande, como los de generador o los que tienen terciario, y cuando la capacitancia del lado de baja es baja.
De qué depende el valor transferido
El anexo E enumera los factores que pesan:
- la construcción del transformador, sobre todo la de sus devanados (en discos, entrelazados) y su orden alrededor de las columnas del núcleo;
- las inductancias de dispersión y el amortiguamiento de los devanados;
- las capacitancias del transformador;
- la conexión de los devanados (grupo de conexión) y la conexión a la red;
- la forma de la onda que llega.
Algunos de estos factores son difíciles de calcular. Por eso la norma señala que la forma más práctica de obtener una estimación cuantitativa es medir, por ejemplo con ensayo de impulso recurrente. Las ecuaciones que presenta sirven solo como estimación aproximada, y para valores concretos hay que pedir los datos al fabricante. En esta guía no se reproducen.
Sobretensiones temporales transferidas
Una falla a tierra en el primario produce desequilibrio en las tensiones fase-tierra. Esto puede originar sobretensiones fase-tierra en el secundario cuando este tiene neutro aislado y una tensión asignada notablemente baja respecto al primario.
Su magnitud depende de la tensión primaria durante la falla, de la relación entre las capacitancias del transformador y de los condensadores adicionales conectados al secundario. Las capacitancias salen de los protocolos de ensayo de rutina del transformador.
Pueden resultar excesivas si la capacitancia fase-tierra del secundario es demasiado baja. La norma da un ejemplo: en un transformador de 110 kV, las tensiones soportadas normalizadas a frecuencia industrial pueden superarse si la tensión asignada del secundario es de 10 kV o menos. También son excesivas si el secundario con neutro aislado queda totalmente desconectado de la red durante una falla a tierra del lado primario.
La medida correctiva es conectar condensadores adicionales entre fase y tierra en las tres fases del secundario.
Sobretensiones transferidas por vía capacitiva
Son críticas casi siempre en el sentido de alta a baja tensión. Provienen del aumento de potencial del devanado primario por una sobretensión de frente rápido o lento que llega. Pasan al secundario por las capacitancias del devanado.
Con variaciones rápidas de la tensión primaria solo participan las partes del devanado cercanas a los terminales, por lo que las capacitancias distribuidas del devanado son decisivas. Solo el fabricante puede dar el valor de la capacitancia en serie del devanado.
El resultado es un divisor capacitivo. La relación de división puede ir de cero a por lo menos 0,4. Una conexión en delta del devanado de baja con alta en estrella reduce aún más ese valor. Además, un factor que depende de la clase de sobretensión y de la conexión de los devanados modifica el resultado:
| Clase de sobretensión primaria | Factor de tensión de frecuencia industrial |
|---|---|
| Frente lento | Igual a 1, sea cual sea la conexión |
| Frente rápido | Mayor que 1: 1,15 aproximado en estrella-delta o delta-estrella, 1,07 aproximado en estrella-estrella o delta-delta |
Para el valor primario de una sobretensión de frente rápido se puede tomar el nivel de protección del pararrayos del lado primario. Para una de frente lento, el valor de cresta de la tensión fase-tierra, suponiendo que los pararrayos no actúan.
Las pérdidas del devanado y la carga conectada amortiguan los picos capacitivos. Son críticos sobre todo en transformadores con grandes relaciones de reducción y cuando al secundario hay conectada poca capacitancia. Los pararrayos conectados al secundario limitan con eficacia estas tensiones, y los condensadores adicionales mejoran la protección, sobre todo para equipos que no toleran frentes de subida rápidos, como generadores y motores.
Sobretensiones transferidas por vía inductiva
Es normalmente el modo de transferencia más importante y ocurre ya con variaciones moderadas de la tensión. En este modo el transformador funciona esencialmente en su modo normal, y por eso valen los métodos de frecuencia industrial. La dificultad está en obtener los parámetros del transformador, por lo que la medición directa da información más fiable.
La magnitud depende de:
- la tensión primaria, incluida la actuación del pararrayos;
- la duración de la sobretensión que llega;
- las características del transformador (número de devanados, relación, impedancias de cortocircuito, grupo de conexión);
- las impedancias de onda de las líneas conectadas al secundario;
- las características de la carga.
La respuesta del circuito secundario es la parte más difícil de predecir. Para transformadores de discos conectados a una línea aérea sin carga apreciable, la norma da valores típicos del factor de respuesta del secundario que van de 0,3 a 1,3 en frente rápido, según la tensión del secundario. Con transformadores de tres devanados se han registrado valores incluso superiores a 1,7. Cuando el secundario es un cable, los valores usuales no superan 1,0. Para valores concretos hay que consultar al fabricante.
Las sobretensiones inductivas del alto al bajo pueden ser críticas si:
- el devanado secundario no está conectado a la red;
- el secundario tiene baja tensión asignada y potencia alta, como en los transformadores de generador;
- el devanado es el terciario de un transformador de tres devanados.
También pueden ser peligrosas para el aislamiento entre fases de los secundarios en delta, aunque todos los terminales tengan pararrayos fase-tierra. En ese caso pueden hacer falta pararrayos entre fases. Agregar condensadores normalmente no reduce las sobretensiones transferidas por vía inductiva. Puede haber también tensiones altas cuando una sobretensión pasa del devanado de baja al de alta, sobre todo si causa aumentos de tensión de tipo resonante.
Qué significa para el diseño
La protección fase-tierra y la protección entre fases se estudian caso por caso, con la información del fabricante del transformador. En general, pararrayos entre todas las fases y tierra, y entre fases cuando se necesite (por ejemplo en transformadores estrella-delta), dan una protección adecuada. El panorama de sobretensiones de una instalación industrial está en sobretensiones transitorias en la planta.
Para ampliar el tema, vea Sobretensiones temporales: causas y valores usuales, Sobretensiones de frente muy rápido en GIS, Sobretensiones de rayo en una subestación, Transformador de potencia: partes, funciones y pruebas y Sobretensiones de frente lento: maniobra y falla.
Cuándo llamarnos
Si un transformador alimenta un motor, un generador o un tablero de media tensión desde una línea aérea, o ya hubo fallas de aislamiento en el lado de baja, la sobretensión transferida se define con los datos del fabricante y un estudio. Hacemos su estudio de coordinación de aislamiento y le cotizamos el alcance.
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Referencias
- IEC 60071-2 (edición 1996), Insulation co-ordination — Part 2: Application guide, anexo E y cláusula 7.2.1.1.
Preguntas frecuentes
¿Por qué una sobretensión de alta tensión llega al lado de baja del transformador?
Por tres vías: la transferencia capacitiva entre devanados, que aparece primero y en el rango de los megahertz; la transferencia inductiva, que sigue a la anterior y es la más importante; y, en fallas a tierra, la transferencia de la tensión temporal por desequilibrio de las tensiones primarias.
¿Agregar condensadores en el lado de baja reduce todas las sobretensiones transferidas?
No todas. Los condensadores reducen las transferidas por vía capacitiva y las temporales. Según la norma, normalmente no reducen las transferidas por vía inductiva.
¿Cuándo hace falta un pararrayos en el lado de baja tensión?
Cuando el devanado de baja no está conectado a la red, cuando tiene una tensión asignada baja con potencia alta (por ejemplo transformadores de generador) o cuando es el terciario de un transformador de tres devanados. Cada caso debe estudiarse con datos del fabricante.