¿Qué es el Fenómeno de la Ferroresonancia en Transformadores? Déjanos tus comentarios
Comprender qué es, cómo reconocerlo y cómo prevenirlo cuando se comienza hablar de el fenómeno, o bien la gente pierde interés o se hacen bolas. ¿Qué es la ferroresonancia en los sistemas de potencia, además de una palabra difícil de deletrear?
La ferroresonancia es un fenómeno eléctrico complejo que, aunque se identificó a principios de la década de 1920, sigue siendo poco comprendido hoy en día. Se caracteriza por la aparición súbita de sobrevoltajes muy altos sostenidos junto con altos niveles de distorsión armónica. Se sabe que la ferroresonancia es responsable de daños en equipos y malfuncionamientos en la protección de equipos.
La ferroresonancia es en principio una resonancia en serie con un capacitor y una inductancia no lineal que involucra una inductancia de magnetización saturable. El fenómeno ocurre preferiblemente en ausencia de amortiguación adecuada. En un sistema de potencia, esa inductancia típicamente consiste en las inductancias de magnetización de transformadores de potencia y las capacitancias en serie de las capacitancias que ocurren en la red de distribución.
Fig. 1. Transformador abierto conectado a una fuente de voltaje AC.
El fenómeno de la ferroresonancia se puede demostrar fácilmente con un circuito simple que comprende una fuente de voltaje AC y un transformador sin carga conectado en serie con un capacitor. Sin el capacitor, este circuito puede parecerse al diagrama en la Fig. 1 si se representa el transformador por su circuito equivalente. En un circuito típico de distribución de servicios públicos eléctricos o de planta industrial de voltaje medio, la ferroresonancia ocurre con mayor frecuencia cuando todas las siguientes condiciones están presentes:
Un circuito con capacitancia e inductancia está presente. Un banco de capacitores sirve como la capacitancia, mientras que el núcleo de hierro y la bobina de cobre de un transformador energizado pueden servir como la inductancia. Baja resistencia está presente en el circuito. Esto puede ser en forma de un equipo del sistema de potencia poco cargado (p. ej., transformador de potencia sin carga) o secciones cortas de línea. La existencia de al menos un punto en el sistema cuyo potencial (es decir, nivel de voltaje) no está fijo. Esto puede ser un neutro aislado o puede ser creado por un fusible quemado o durante la conmutación monofásica. Este “grado de libertad” puede permitir que el sistema se “reposicione” en una condición de ferroresonancia. La ocurrencia más común de ferroresonancia en los sistemas de potencia de los servicios públicos eléctricos es en sistemas aterrizados que tienen transformadores poco cargados (o sin carga) con primarios conectados en wye o delta sin aterrizar, donde la conmutación de un solo polo deja capacitancia fase-fase o fase-tierra conectada al lado de carga del interruptor. El valor máximo de la sobretensión de conmutación que puede ocurrir durante esta condición puede ser entre dos a cinco veces el voltaje normal del sistema, lo que puede causar daños significativos en los equipos.
Fig. 2. Flujo de corriente bajo condiciones resonantes con conmutación monofásica.
La Figura 2 muestra una representación de un ejemplo del mundo real de una instalación industrial con una línea primaria entrante de 13.8kV, un banco de capacitores conectado en wye y un primario de transformador conectado en delta. El flujo de corriente que causa esta condición resonante del sistema de potencia bajo conmutación monofásica se muestra con las flechas. En este ejemplo de subestación de cliente, hay un transformador conectado en delta. Cuando se energiza el transformador, hay una gran cantidad de corriente de excitación que fluye por un corto tiempo para energizar el núcleo magnético del transformador y crear el flujo magnético en el núcleo que permite que el transformador funcione. Esta corriente de inrush de magnetización puede ser del orden de 10 veces la corriente de carga normal, pero existe por un tiempo muy corto (menos de 0.1 segundos en la mayoría de los casos), según ANSI/IEEE C57.12 y C57.109.
Sin embargo, cuando hay un capacitor en serie o paralelo con el transformador cuando ocurre la energización, puede ocurrir esta condición resonante, lo que puede hacer que la alta corriente persista por períodos más largos. Esta alta corriente de excitación persistió en esta ubicación del cliente debido a la baja resistencia del circuito (es decir, sin carga en los transformadores), ya que de lo contrario se amortiguaría más rápidamente con más resistencia. Las altas corrientes conducen a voltajes más altos que los nominales, lo que puede causar daños en los equipos y flashovers de pararrayos (por encima del MOV de sobretensión máxima del pararrayos).
La ferroresonancia puede empeorar por un mal aterrizaje del sistema, ya sea por conexiones de tierra inefectivas o alta resistividad del suelo. El alto voltaje creado en el sistema primario durante la resonancia podría causar un aumento en el potencial de tierra, lo que habría sometido a equipos sensibles a voltajes que podrían haber excedido los niveles de aislamiento.
Hay varias maneras de minimizar la ferroresonancia en los sistemas de potencia. Estas incluyen:
Realizar solo conmutación trifásica de bancos de capacitores en lugar de conmutación monofásica. Utilizar dispositivos de conmutación que no sean susceptibles a arcos de preencendido y/o reencendido. Los cortacircuitos fusibles de distribución son notorios por reencenderse cuando se abren lentamente. El uso de conexiones de transformador en wye aterrizadas en lugar de primarios conectados en delta. Aterrar el neutro de los primarios conectados en wye y tener un sistema de potencia efectivamente aterrizado. No energizar capacitores y transformadores al mismo tiempo. No reenergizar bancos de capacitores dentro de los cinco minutos después de ser desenergizados. Los bancos de capacitores de servicios públicos contienen resistencias de drenaje para descargar lentamente la energía capacitiva almacenada.