Si bien son poco comunes, las fallas en los transformadores llegan a ocurrir y en algunos casos pueden tener alto impacto y cierto grado de riesgo en el sitio donde se encuentren instalados, sobre todo si no se tienen en cuenta las medidas de seguridad y mantenimiento adecuado.
Los transformadores inmersos en líquido, son dispositivos comúnmente utilizados en los sistemas de distribución. El aceite en donde se sumergen permite mejorar la rigidez dieléctrica y la refrigeración del dispositivo. Sin embargo, tienen el riesgo potencial de explosión debido principalmente a que el aceite dentro del tanque puede llegar al punto de ignición debido a una falla, lo cual ocasiona el aumento súbito de la presión dentro del tanque y la ruptura del mismo. Existen diversos dispositivos de seguridad que evitan este tipo de eventos. Pero aun así, el riesgo de incendio y explosión sigue presente en estos transformadores inmersos en aceite, lo que hace necesario que para su instalación se tomen en cuenta ciertos factores lo que puede incrementar su costo de instalación.
Existen otros tipos de transformadores, como los transformadores secos encapsulados en resina (TSER) que no presentan este tipo de riesgo ya que no están inmersos en líquidos aislantes lo cual le proporciona ventajas comparativas en cuanto a los tradicionales inmersos en aceite.
Los Transformadores convencionales de potencia y distribución son generalmente considerados como dispositivos confiables presentando una tasa de fallas baja. Sin embargo, el envejecimiento de la infraestructura de las subestaciones ubicadas a nivel global está causando una preocupación y se tiene evidencia del incremento de las pérdidas.
Es predecible un aumento de las fallas de los transformadores de subestación en un 500% dentro de los próximos 10 años debido a que las unidades instaladas en los años 1960 y 1970 están excediendo su ciclo de vida operacional esperado. El cálculo de la tasa de falla de los transformadores ha mostrado que la confiabilidad rápidamente decrece después de 35 a 40 años de uso y para los 60 años ya es casi el 100%.
Podemos enumerar algunas de las fallas mas frecuentes en transformadores inmersos en liquido que pueden ocasionar una interrupción en el servicio ademas de fuego y/o explosión.
Falla en el devanado
Un devanado es una parte muy importante del transformador. En los de distribución existen dos de estos: uno en el lado primario y otro en el secundario.
El alto voltaje y la baja corriente eléctrica corren en el devanado primario, y es a través del voltaje de inducción electromagnética que baja al secundario. Los devanados pueden soportar estrés dieléctrico, térmico y mecánico durante este proceso, pero a veces es tanto que resulta en una falla y una posterior ruptura. Estas son los tipos de problemas que pueden surgir:
Falla dieléctrica
La falla dieléctrica ocurre cuando surge una descompostura en el aislamiento, la cual es causada por una tensión eléctrica y voltaje por arriba de los niveles promedio. Esto desencadena en un corto circuito.
Las razones de los altos niveles pueden ser:
· Caída de un rayo sin contar con descargadores.
· Fallas de voltaje.
Falla térmica
Los devanados usualmente están hechos de cobre. Debido a la resistencia ocurren pérdidas térmicas, las cuales lo afectan si no ha habido un mantenimiento apropiado. Con el tiempo, estos se van deteriorando y la fuerza física se pierde.
Falla mecánica
Las fallas mecánicas son distorsiones, aflojamientos o desplazamientos de los devanados. Esto es resultado de la disminución del desempeño del transformador, reparaciones inadecuadas, corrosión, mal mantenimiento, defectos de fábrica y movimientos y vibraciones dentro de este.
Falla en el bushing
Los bushing son dispositivos que aíslan un conductor eléctrico de alto voltaje para que pase por uno de tierra. En un transformador, estos proveen un camino a la corriente por la pared del tanque. Dentro del transformador se puede encontrar papel aislante rodeado de aceite, lo que otorga un mayor aislamiento. Una falla en el bushing ocurre debido al desgaste y por estas razones:
· Aflojamiento de los conductores causado por vibraciones en el transformador, lo que resulta en un sobrecalentamiento. Esto daña al papel aislante y el aceite.
· Una súbita subida de voltaje, la cual genera una descarga parcial que daña el bushing y causa una ruptura en cuestión de horas.
· Rotura en los sellos del bushing que se originan por la presencia de agua, desgaste o pérdidas dieléctricas excesivas.
· No reemplazar el aceite o una filtración de este.
Falla en el cambiador de tomas
La función de un cambiador de tomas en el transformador es regular el nivel de voltaje. Esto se hace al añadir o remover vueltas del devanado secundario. Es la parte más compleja y una de las más importantes. Incluso una pequeña falla puede afectar la energía. Algunas causas de los problemas en este son:
· En una falla run-through, el cambiador de tomas se tarda después de que un relé cambia la proporción de las vueltas. Esto se debe a que el relé tiene residuos. Otra causa es el desgaste del resorte.
· Falta de mantenimiento que deriva en una desincronización de la conexión de eje entre el cambiador y el motor.
· Condensadores viejos y desgastados en el motor, lo que hace que el cambiador falle al momento de controlar la dirección de movimiento.
· Un uso regular que desgasta el resorte y lo hace más frágil hasta el punto de romperse. Por ello, el cambiador no puede cambiar la proporción de las vueltas del devanado.
· Descompostura del motor en el cambiador debido a un voltaje excesivo.
Falla del núcleo
Un transformador tiene un núcleo laminado de acero en medio rodeado por los devanados. Su función es concentrar el flujo magnético. Si falla, los devanados se ven afectados. El laminado está ahí para impedir esto, pero un mal mantenimiento, el no reemplazar el aceite o la corrosión pueden ser causa del problema. Una mínima descompostura en las láminas resulta en un incremento en la energía térmica. Los efectos de un sobrecalentamiento son:
· Los devanados son dañados debido a que el sobrecalentamiento alcanza la superficie del núcleo.
· Daño en el aceite del transformador, lo que genera un gas que puede afectar otros componentes.
Falla en el tanque
La función del tanque es contener el aceite, el cual es usado para el aislamiento y refrigeración. También puede ser empleado como soporte de otros equipos del transformador.
Una falla en el tanque ocurre cuando existe algún tipo de estrés ambiental, humedad alta o radiación solar. Todo lo anterior puede generar grietas o filtraciones en las paredes del tanque, por lo que pronto comenzará a escasear el aceite. Estas son las consecuencias:
· Reducción de aislamiento en el transformador y daños en los devanados.
· Sobrecalentamiento y daños en otras partes del transformador.
Falla en el sistema de protección
La función principal del sistema de protección es resguardar al transformador de cualquier falla al detectarla y resolverla lo más rápido posible. Si no es posible, entonces la aísla para evitar un daño mayor. Sus componentes son el relé de Buchholz, la válvula de alivio de presión, protección contra sobrecargas y el relé de presión súbita. Esto es lo que sucede cuando falla alguna de estas partes:
El relé Buchholz es un dispositivo de protección sensible a las fallas dieléctricas en el transformador. Un sobrecalentamiento tiene lugar cuando se acumulan gases, lo que afecta sus funciones. Un bajo nivel de aceite provoca que el relé entre en acción aunque no exista un desperfecto. Esto significa un desperdicio de energía.
La válvula de alivio de presión impide que el transformador explote debido a la acumulación de presión del gas, la cual se produce por el sobrecalentamiento del aceite. Si el resorte falla, la válvula no podrá liberar la presión correctamente, por lo que podría ser peligroso. De igual manera tendríamos un problema si la presión se acumula rápidamente, ya que el proceso de liberación es lento.
La protección contra sobrecargas permite que una magnitud específica de voltaje vaya al transformador, lo que evita una subida excesiva. Una falla significa la entrada de una gran carga de voltaje a los devanados y un posterior daño. Humedad, calor, y corrosión son las principales razones de una descompostura.
El relé de presión súbita protege al transformador de explotar debido a un posible incremento exponencial de la presión del gas. La humedad puede afectar su circuito interno.
Falla en el sistema de refrigeración
El sistema de refrigeración reduce el calor en el transformador debido a las pérdidas de cobre y hierro. El sistema contiene ventiladores, bombas de aceite e intercambiadores de calor enfriados hidráulicamente. Una falla causa un incremento de calor y acumulación de presión del gas, lo cual podría desencadenar una explosión. A continuación las fallas más comunes en el sistema:
· Filtraciones en las bombas de aceite y agua. Esto da como resultado una reducción de los fluidos y un bajo intercambio de calor. Las filtraciones pueden ocurrir debido al estrés ambiental, corrosión, humedad y radiación solar.
· Descompostura de los ventiladores. Estos pueden fallar si no hay un buen mantenimiento o si existe un desgaste en los motores.
· Un termostato defectuoso también representa un problema debido a las malas lecturas que proporcionan.
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