La corriente de magnetización Inrush es una condición transitoria que ocurre cuando se energiza un transformador. El problema de esta corriente es que puede llegar a ser de 100 veces la corriente de vacío de régimen permanente del transformador, o si se considera que esta corriente es del 5 al 8% de la corriente nominal, se alcanzarán corrientes instantáneas de 5 a 8 veces la nominal. Debido al valor no nulo de la resistencia del devanado primario, la corriente transitoria de conexión se amortigua rápidamente al cabo de unos pocos ciclos. Al tratarse de corrientes de corta duración se tienen que utilizar protecciones que no actúen rápidamente, evitando la desconexión del disyuntor o interruptor automático principal, al tomar esa corriente por un cortocircuito.
La corriente IINRUSH puede tomar valores de varias veces la corriente nominal, durante su periodo transitorio, y al circular esta únicamente por uno de los dos devanados, podría ser vista por la protección diferencial como una falla interna en el transformador (ver figura 5.5). Al operar la protección diferencial disparará inmediatamente al interruptor del transformador impidiendo que este pueda entrar en operación.
Figura 5.5. Distribución de Corrientes por el Esquema Diferencial en el Momento de la Energización del Transformador.
La corriente IINRUSH se caracteriza por tener un alto contenido de armónicos, principalmente de segundo orden, debido a la característica no lineal del núcleo. Para evitar que la protección diferencial opere por la corriente I INRUSH, los RMM cuentan con filtros de armónicos que estiman la cantidad de corriente segunda armónica presente en la corriente de energización, si esta supera un valor establecido como parámetro de calibración, se bloqueará el disparo de la protección. http://www.ceed.org.ar/wp-content/uploads/2012/12/Oliveira_et_al_Paper_1.pdf
el transformador es uno de los equipamientos más importantes dentro de la estructura de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) presentándose en diferentes tipos, tamaños y configuraciones. Un transformador actúa como un nodo de interconexión para dos puntos de diferentes niveles de tensión y por ello el funcionamiento continuo del transformador es de vital importancia en la confiabilidad del sistema eléctrico dado que cualquier trabajo de reparación no programada, especialmente la substitución de un transformador defectuoso, es muy caro y demorado. De este modo, su protección es sumamente importante para la operación estable y confiable de los SEP y la actuación desnecesaria de relés de protección (especialmente el relé diferencial) debe ser evitada [1]. Por causa de la magnetización del núcleo de hierro, en el momento en que el transformador sin carga es energizado, aparece en el bobinado primario una corriente transitoria conocida como “corriente inrush” la cual se presenta como picos transitorios cuya
amplitud puede alcanzar valores elevados poniendo en riesgo la vida útil del transformador. Los transformadores utilizados en SEP requieren, en régimen permanente, corrientes de excitación del orden de 0,5 – 0,2 % de la corriente nominal, en tanto que, durante el proceso de energización la corriente inrush transitoria puede presentar las siguientes características [1], [2], [3]: valor de pico inicial elevado (10 – 20 veces el valor de pico de la corriente nominal del transformador), duración de varios ciclos, amplio espectro de componentes armónicas, predominando la 2ª armónica.
La corriente inrush fluye solamente en uno de los bobinados del transformador resultando en grandes corrientes diferenciales que pueden ocasionar la operación del relé de protección. Sin embargo, estos casos no son condiciones de falla y los relés de protección deben discriminar correctamente el fenómeno de energización de un evento de falla interna [1], [2], [4]. La protección diferencial es utilizada en transformadores con potencias superiores a 10MVA, sin embargo, la protección de sobrecorriente se utiliza como protección principal en bancos de transformadores con capacidades menores [5]. En este contexto, este artículo aborda el estudio teórico básico de la corriente inrush en transformadores y su influencia en los sistemas de protección. El objetivo del estudio es presentar las principales causas y posibles soluciones que pueden ser utilizadas en la actualidad para mitigar este fenómeno transitorio. II. C ARACTERÍSTICAS DE LA CORRIENTE DE INRUSH Como se dijo anteriormente, la corriente inrush es un evento transitorio que puede generar la operación indebida de los sistemas de protección asociados al transformador (fusibles y relé de sobre-corriente) perjudicando la calidad y la confiabilidad de la energía entregada al consumidor generando efectos como [4], [6]: elevado calentamiento en los bobinados provocando daños de aislación, producción excesiva de tensiones mecánicas debido a las fuerzas magnéticas inducidas, huecos de tensión temporarios en el SEP, radio-interferencias con líneas de comunicación próximas, sobretensiones debido a fenómenos de resonancia armónica en sistemas con filtros eléctricos.
La Figura 1 ilustra esquemáticamente la relación entre la corriente nominal (In) del transformador y la corriente inrush (Ir ) durante la energización del mismo.
La corriente de magnetización es una condición transitoria que ocurre cuando se energiza un transformador. El problema de esta corriente es que puede llegar a ser de 100 veces la corriente de vacío de régimen permanente del transformador, o si se considera que esta corriente es del 5 al 8% de la corriente nominal, se alcanzarán corrientes instantáneas de 5 a 8 veces la nominal. Debido al valor no nulo de la resistencia del devanado primario, la corriente transitoria de conexión se amortigua rápidamente al cabo de unos pocos ciclos. Al tratarse de corrientes de corta duración se tienen que utilizar protecciones que no ac túen rápidamente, evitando la desconexión del disyuntor o interruptor automático principal, al tomar esa corriente por un cortocircuito.
CORRIENTE DE INRUSH EN TRANSFORMADORES
La corriente de magnetización es una condición transitoria que ocurre cuando se energiza un transformador, cuando el voltaje aumenta repentinamente después de haber aislado una falla y el sistema se restablece, ó cuando se energizan dos transformadores en paralelo. Despreciando las pérdidas, esta corriente de magnetización es la que establece el flujo en el núcleo y circula principalmente por la rama de excitación del transformador, es decir, es una corriente que circula sólo por el devanado primario. Esta corriente transitoria de magnetización puede ser de 8 a30 veces la corriente nominal del transformador. Los factores que determinan la duración y magnitud de la corriente de magnetización son la capacidad y localización del transformador, la capacidad del sistema de potencia, la resistencia en el sistema de potencia desde la fuente al transformador, el tipo de hierro usado en el núcleo del transformador y su densidad de saturación, el nivel de flujo residual del transformador y la forma en que es energizado el transformador, entre otros. La forma de onda de una corriente típica de magnetización se muestra en la figura 1.
Fig. 1. Forma de onda de una corriente de magnetización Cuando un transformador se desconecta del sistema, la corriente de magnetización se va a cero. El flujo, como consecuencia de la curva de histéresis, cae aun valor residual Si el transformador fuera re-energizado en el instante en el que la forma de onda de voltaje corresponde a la densidad magnética residual dentro del núcleo, habría una continuación uniforme de la operación previa con ningún transitorio magnético (figura 2). En la práctica, sin embargo, no es posible controlar el instante de la energización y un transitorio magnético es prácticamente inevitable.
En la figura 3 se asume que el transformador es re-energizado en el instante en que el flujo está en su valor máximo negativo En este punto, el flujo residual tiene un valor positivo. Ya que el flujo magnético no puede cambiar instantáneamente la onda de flujo en lugar de iniciar en su valor normal y variar sinusoidalmente a lo largo de la línea punteada, iniciará con el valor del flujo residual siguiendo la curva
Fig. 3. Corriente de magnetización cuando el transformador es re-energizado en el instante cuando el flujo se encuentra en su valor máximo. El flujo residual, es el flujo remanente en el núcleo después de que el transformador es desconectado. Ya que la corriente continua fluyendo momentáneamente después de la desconexión (v=0), el flujo decrecerá a lo largo de la curva de histéresis a un valor de donde la corriente es igual a cero. Ya que el flujo en cada una de las tres fases están separadas 120°, una fase tendrá un positivo y los otros dos un negativo o viceversa. Como resultado, el flujo residual puede sumarse o restarse al flujo total, incrementando o reduciendo la corriente de magnetización.
CORRIENTE DE MAGNETIZACION INRUSH.
La corriente de magnetización Inrush es una condición transitoria que ocurre cuando se energiza un transformador, cuando el voltaje aumenta repentinamente después de haber aislado una falla y el sistema se restablece, ó cuando se energizan dos transformadores en paralelo. Esta corriente fluye solo de la fuente hacia el transformador (Sin fluir fuera de el) razón por la que aparece como una corriente diferencial. Sin embargo, esto no es una condición de falla y el relé debe permanecer estable durante este transitorio.
La corriente inrush puede aparecer en las tres fases y en el neutro aterrizado del transformador, su magnitud y duración dependen de factores externos y de diseño como:
Impedancia de la fuente de alimentación.
Capacidad del transformador.
Localización del devanado energizado (Interno o externo) con respecto al nucleo laminado.
Conexión de los arrollamientos.
Punto de la onda de CA donde se cierran los contactos del interruptor que energiza al transfortmador.
Características magnéticas del nucleo
Remanencia del nucleo.
Uso de resistores de preinserción.
Restableciemiento súbito de voltaje. Después de haber aislado una falla.
Energización en paralelo de transformadores.
La impedancia de la fuente de alimentación y la reactancia del nucleo en el devanado energizado determinan la magnitud de la corriente Inrush cuando el nucleo se satura.Sin embargo, la probabilidad de que se presente la máxima corriente Inrush es muy baja.
La capacidad del transformador define en gran medida la duración y magnitud de la corriente Inrush. La constante de tiempo para este transitorio utilizada con gran aproximación en en cálculos, es de 0.1 seg. para transformadores con capacidades menores a 100 kVA y arriba de o.1 seg. para transformadores de mayor capacidad,. Se ha observado que en transformadores de gran capacidad, la corriente inrush áún permanece después de 30 min. de haberse energizado.
En transformadores de nucleo acorazado, la magnitud de la corriente inrush es mayor en el devanado interno que en el externo. En el primer caso la corriente Inrush alcanza valores de 10 a 20 veces la corriente nominal, mientras que en el segundo, de 5 a 10 veces. Usualmente, el devanado de alto voltaje es externo y el de bajo voltaje es interno.
El valor de la corriente Inrush depende del punto en la onda de CA donde se cierran los polos del interruptor. El máximo valor de la corriente Inrush se presenta cuando el interruptor cierra sus polos en el momento en que elk voltaje es cero y el nuevo flujo magnetico de la corriente inrush toma la misma dirección que el flujo remanente. La corriente Inrush es pequeña cuando los flujos toman direcciones opuestas. La energización de grandes transformadores de potencia usualmente se realiza mediante el cierre simultaneo de lo tres polos de un interruptor, dejando al azar el instante de la conexión, este proceso origina la presencia de grandes corrientes inrush qe pueden presentarse en las tres fases y en el neutro aterrizado. La corriente Inrush es diferente en cada fase del transformador, debido a que en sistemas trifasicos las ondas de voltaje correspondientes a las fases están separadas 120° eléctricos y el cierre del interruptor de potencia es simultaneo en los tres polos, por lo que en el momento del cierre del interruptor, las tres ondas de voltaje se encuentran en diferentes puntos.
Cuando ocurre una falla en un sistema de potencia el voltaje disminuye rápidamente hasta llegar a cero al aislarse la falla, sin embargo, cuando se restablece el sistema, el
voltaje aumenta repentinamente hasta su valor nominal, repitiendose ujn proceso similar al de energización inicial. Sin embargo, al ser muy rápido el proceso de reestablecimiento de energía, La corriente Inrush es menor que la inicial.
Cuando un segundo transformador de potencia es energizado en paralelo con otro que esta en servicio, se presenta una corriente inrush en el primer transformador de menor valor al de la energización inicial.
COMETODOS PARA INHIBIR LA OPERACION DE LA PROTECCION DIFERENCIAL ANTE LA PRESENCIA DE UNA CORRIENTE INRUSH.
Los relevadores diferenciales en la actualidad utilizan varios métodos para discriminar fallas internas de transitorios como la corriente Inrush e inhibir su operación. Los más usados son:
Bloqueo en energización.- Se bloquea la operación del relé en el momento de
energizar al transformador de potencia, a través de una señal de posición del interruptor que alimenta al transformador y/o de la presencia de voltaje-corriente. El tiempo de bloqueo debe ser ligeramente mayor al que permanece la corriente Inrush. Sin embargo, debido a que es muy dificil predecir este tiempo y considerando que es variable en cada energización, este método no es suficiente para evitar la operación en falso de la protección. Bloqueo por 2a. armonica.- Después de analizar detalladamente las características
de la corriente Inrush que se presenta cuando energizamos un transformador, se ha encontrado que presentan un gran contenido de 2a armonica con respecto a la fundamental. Este contenido de 2a armonica con respecto a la fundamental es de 30% ó mas en el primer ciclo de la corriente Inrush, lo cual es usado para identificar la presencia del fenomeno inrush y prevenir la operación del relé.
El contenido de 2a armonica de una corriente diferencial es comparada con la fundamental de esa misma corriente diferencial y si es mayor al limite ajustado, entonces se considera una condición de Inrush y se inhibe la operación del relé.
Bloqueo por distorsión en la forma de onda.- Otro metodo para discriminar corrientes por
fallas internas de corrientes Inrush, es identificar el tipo de distorsión que se presenta en la forma de onda de la corriente diferencial. Cuando se presenta una corriente diferencial debido al fenomeno Inrush, la corriente es totalmente asimentrica y el intervalo de tiempo en el cual se presentan los picos de la onda, es mucho mayor al intervalo de tiempo para una falla interna. En la Fig. 1-A se muestra la forma de onda para una corriente diferencial debida al fenomeno Inrush y en la Fig. 1-B se muestra una corriente diferencial debida a un falla interna. La corriente diferencial es comparada con un limite positivo y un negativo de igual magnitud (Ver Fig.6), los cuales son definidos desde el diseño del relé, el intervalo de tiempo en el cual la onda pasa consecutivamente por los limites, es una indicación de la forma de onda. Este intervalo de tiempo en la onda es comparado con un cuarto de ciclo, de manera que si T es mayor a un cuarto de ciclo, se asume una corriente Inrush y el rele se bloquea, si T es menor a un cuarto de ciclo, el relé opera.
(A) CORRIENTE INRUSH
(B) CORRIENTE DE FALLA INTERNA T < 1/4 DE CICLO
T > 1/4 DE CICLO
I OP
I OP
Limite Positivo
T
Limite Negativo.
Limite Positivo
T
Limite Negativo. T
T > 1/4 DE CICLO
SE ASUME UNA CORRIENTE INRUS Y EL RELE SE BLOQUEA
T < 1/4 DE CICLO
SE ASUME UNA COORIENTE DE FALLA INTERNA
T
Fig. No. 6. Discriminación de corrientes diferenciales ocasionadas por falla interna o por fenomeno Inrush
Los dos métodos anteriores para discriminar corrientes diferenciales son empleados en los relés diferenciales incrementando así la estabilidad y presición.
