Ferroresonancia en transformadores montados en pedestal: Lo que un fabricante de transformadores montados en pedestal quiere que los especificadores sepan

 

Como un fabricante de transformadores tipo poste , seguimos experimentando el mismo fallo en el mismo orden. Se sustituye una unidad montada sobre un soporte para mantenimiento. El pararrayos del poste ascendente, ubicado al final del cable, falla. El equipo reemplaza el pararrayos, energiza la unidad y el reemplazo vuelve a fallar dentro de unos pocos meses —en ocasiones, incluso dentro de unas pocas semanas—. El transformador en sí supera todas las pruebas rutinarias sin anomalías. Nada en su placa de identificación es incorrecto. Lo que está dañando el pararrayos es la ferroresonancia, y casi nunca es culpa del propio pararrayos.

Qué es realmente la ferroresonancia

 

Un núcleo de transformador no es un inductor lineal. Por debajo de la saturación, su reactancia de magnetización es alta. A medida que el núcleo se acerca a la saturación, dicha reactancia colapsa. Si se introduce un componente con ese comportamiento en un circuito que también contiene capacitancia —por ejemplo, la capacitancia de la cubierta de un cable subterráneo, la capacitancia de gradación de un interruptor, la capacitancia de un aislador o la de un banco de condensadores—, una perturbación por conmutación puede llevar al circuito a una oscilación que ninguno de los dos elementos podría producir por sí solo.

Esa es toda la definición, y también explica por qué la ferroresonancia en transformadores no es la resonancia ordenada que se calcula a partir de XL = XC. Con un inductor lineal existe una única frecuencia de resonancia y un único estado estacionario. Con un núcleo saturable existen varias, y el circuito puede saltar entre ellas. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) describe cuatro modos principales de oscilación: ferroresonancia de frecuencia fundamental a la frecuencia de suministro; ferroresonancia subarmónica a una fracción de la frecuencia de suministro, comúnmente un tercio; ferroresonancia cuasiperiódica con formas de onda irregulares; y ferroresonancia caótica sin ningún patrón repetitivo. Las sobretensiones sostenidas en estos modos pueden alcanzar de cinco a seis veces la tensión nominal de línea, lo cual supera ampliamente lo que la coordinación del aislamiento de un devanado de distribución asume para esfuerzos sostenidos a frecuencia de potencia.

Dos unidades con placas de identificación idénticas pueden comportarse de forma completamente distinta. El modo en el que se estabiliza un circuito depende de la inductancia, la capacitancia, la magnitud de la tensión y las condiciones iniciales —lo que, en la práctica, significa que depende del instante exacto en que se cierra el interruptor. Por eso, un estudio basado en valores nominales lo pasará por alto, y por eso la misma operación de conmutación puede ejecutarse sin problemas cien veces y fallar en la centésima primera.

Si actualmente está trabajando con una especificación de transformador montado sobre pedestal, nuestro equipo de ingeniería revisará el circuito primario con usted antes de fijar la potencia nominal. Envíenos el diagrama unifilar y analizaremos juntos las cuatro condiciones.

Las cuatro condiciones que deben coincidir

 

La ferroresonancia es exigente: requiere cuatro condiciones simultáneas: un secundario sin carga, alta capacitancia primaria, conmutación asimétrica conmutación monofásica , y un núcleo que se satura con una sobretensión moderada; por eso nunca aparece en un estudio de flujo de carga ni es fácil reproducirla en una bahía de ensayos.

Condición	Por qué es importante	Donde aparece en la práctica
Secundario sin carga o con carga ligera	La resistencia de carga amortigua la oscilación; un secundario vacío no ofrece amortiguación alguna	Nueva subdivisión antes de la ocupación, parada estacional de planta, unidad mantenida como repuesto
Alta capacitancia primaria	La capacitancia de la funda del cable por unidad de longitud es mucho mayor que la de una línea aérea	Alimentador subterráneo largo, cable ascendente, arqueta de red, suministro industrial por cable
Conmutación asimétrica	Deja una o dos fases aisladas, pero aún acopladas capacitivamente a la fuente	Interruptores unipolares, un fusible fundido, reconectadores unipolares, operación con conectores tipo codo
Núcleo que se satura con sobretensiones moderadas	La inductancia de magnetización colapsa, permitiendo que el circuito salte entre puntos de funcionamiento	Núcleos modernos de baja pérdida y diseños que operan a mayor densidad de flujo

 

Si se elimina cualquiera de los cuatro factores, normalmente el fenómeno no se inicia. Esa es la parte útil, porque significa que hay cuatro lugares distintos donde se puede eliminar mediante diseño —y casi siempre la solución más económica es la disposición de conmutación. También es el punto en el que la conversación debe pasar de una cotización a una selección, y es lo primero que un fabricante de transformadores tipo poste debe plantearle.

Qué le hace a la unidad antes de que alguien lo note

 

La falla que un equipo observa primero suele estar en la pararrayos , no dentro del tanque. Un supresor de óxido metálico es una resistencia que solo se vuelve conductora por encima de su tensión nominal. Una sobretensión ferroresonante sostenida lo mantiene en conducción y convierte la oscilación en calor dentro de un bloque de cerámica diseñado para impulsos de microsegundos con un ciclo de trabajo definido. Los datos de referencia de Eaton sobre protección contra sobretensiones para transformadores montados en pedestal indican claramente el límite: los supresores reducen las sobretensiones, pero no las eliminan; y cuanto mayor sea el ciclo de trabajo del supresor, más material conductor contendrá y más tiempo resistirá una sobretensión antes de fallar. Un supresor de distribución de baja capacidad, perfectamente adecuado para rayos, no está dimensionado para minutos de energía de frecuencia de red. Datos de referencia de Eaton TC202005EN — Protección contra sobretensiones para transformadores montados en pedestal (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)

Detrás del pararrayos, los daños son menos evidentes y más difíciles de detectar durante una prueba rutinaria. Las superficies de los aisladores muestran señales de seguimiento donde ocurrió la descarga. El aislamiento de los devanados se perfora en el punto donde las oscilaciones alcanzan su pico, y dicha perforación suele ser tan pequeña que una prueba de relación de vueltas aún arroja resultados satisfactorios. El núcleo se calienta excesivamente, ya que la excursión del flujo magnético supera ampliamente el diseño previsto, y el calor es lo que acorta la vida útil del aislamiento. La falla del pararrayos suele ser la primera consecuencia, pero no la única.

Existe también un síntoma que no es eléctrico en absoluto. Una unidad en ferroresonancia produce con frecuencia un zumbido o vibración de baja frecuencia que suena distinto al zumbido normal por magnetostrección: irregular, desigual y lo suficientemente intenso como para que los equipos lo perciban antes de que cualquier relé entre en operación. Trátelo como una señal de advertencia, no como una molestia.

 

El conmutador monofásico es el desencadenante que usted puede controlar

 

De las cuatro condiciones, la conmutación asimétrica es la única que un especificador puede eliminar con un solo elemento en la lista. Conmutación monofásica de un banco de transformadores trifásicos —ya sea mediante cortacircuitos, una fusible fundido o un esquema de reconexión monopolar— deja al banco parcialmente energizado y acoplado capacitivamente a la fuente, lo cual constituye el iniciador clásico en los sistemas de distribución alimentados por cable.

La norma IEEE Std C57.105-2019, guía para la aplicación de conexiones de transformadores en sistemas eléctricos trifásicos, trata estas interacciones entre conexiones y conmutación como una consideración de diseño, no como un accidente: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Esta norma existe precisamente porque la interacción entre la conexión de un transformador y el circuito que lo rodea determina si un sistema funciona correctamente o de forma inadecuada.

Lo que funciona en el campo no es llamativo. Conmute las tres fases simultáneamente mediante un dispositivo de operación conjunta, en lugar de desconectadores monofásicos, siempre que la configuración lo permita. Donde los dispositivos monofásicos sean inevitables, mantenga una pequeña carga resistiva permanente en el secundario durante la conmutación, para que la oscilación tenga algo en lo que disiparse. Un resistor amortiguador o un circuito de supresión de ferroresonancia conectado en paralelo con el devanado constituye la siguiente capa, y un pararrayos seleccionado para sobretensiones temporales, y no únicamente para rayos, es la última medida.

Nada de esto requiere hardware especializado. Requiere que el esquema de conmutación y el ciclo de servicio del pararrayos se definan al mismo tiempo que la potencia nominal del transformador, y no después de que ya se haya tendido el cable.

Cinco aspectos a incluir en la solicitud de cotización (RFQ)

 

Conexión y puesta a tierra de los devanados. Indique si se acepta un primario en estrella con neutro conectado a tierra. Un primario en triángulo sin conexión a tierra en una línea de cable larga representa la configuración de mayor riesgo, y esta decisión modifica por completo el análisis de sobretensiones.

Tipo de dispositivo de conmutación principal. Interruptor de carga trifásico operado en bloque, reconexión trifásica o desconectadores monofásicos. Si los dispositivos monofásicos son inevitables, indíquelo, porque esto modifica la pararrayos selección.

Clase del pararrayos, su ciclo de servicio, su tensión máxima continua de funcionamiento (MCOV) y su capacidad frente a sobretensiones temporales. «Pararrayos incluidos» no constituye una especificación. Solicite un pararrayos dimensionado para soportar sobretensiones temporales, no únicamente para descargas atmosféricas.

Programa de cables. Sección, longitud y tipo de aislamiento del conductor en cada tramo primario. La capacitancia de la cubierta constituye la otra mitad del circuito resonante y no aparece en un programa de placas de características.

Amortiguamiento secundario. Si se mantendrá permanentemente una pequeña carga o una resistencia amortiguadora en el secundario durante las maniobras de conmutación, y qué porcentaje de la potencia nominal representa.

Preguntas que un fabricante de transformadores en caja subterránea plantea antes de que realice su pedido

 

En cualquier proyecto con recorridos largos de cables primarios, el primer documento que solicitamos no es el listado de placas de características. Es el diagrama unifilar con las longitudes de los cables y la disposición de conmutación, porque esos dos elementos determinan si el riesgo de sobretensión es despreciable o real. A fabricante de transformadores tipo poste quien cotiza únicamente a partir de la lista de transformadores está cotizando una unidad, no una solución.

Cada unidad pasa por una secuencia rutinaria de pruebas, y durante ese proceso se registran las pérdidas en vacío y la corriente de magnetización. Esos dos valores son los datos de entrada que convierten una consulta sobre ferroresonancia de una opinión en un cálculo, y se los proporcionaremos a su ingeniero consultor antes del embarque, previa solicitud.

Ryan Electric fabrica transformadores de distribución y de potencia desde 2007, desde una base de fabricación de 120 000 m² con más de 180 conjuntos de equipos de producción y prueba y 37 patentes. Desde 2023, la empresa opera como socio oficial de empresa conjunta de Eaton, lo que explica por qué tratamos la coordinación entre pararrayos e interruptores como parte del alcance del transformador, y no como un problema ajeno.

Un patrón que observamos repetidamente en trabajos de subdivisión norteamericanos es una pequeña unidad trifásica —de 75 kVA a 500 kVA— al final de un alimentador subterráneo largo, alimentada mediante desconectadores monofásicos y destinada a una carga que no existirá hasta dentro de un año. Todas las condiciones de la lista están presentes simultáneamente, y el sitio permanece sin carga durante meses. Cuando el especificador pasa a un interruptor de operación simultánea y deja una pequeña carga resistiva en el secundario durante la puesta en servicio, cesan las fallas de los pararrayos.

Si está especificando unidades montadas sobre pedestal en un sistema alimentado por cable, envíenos el diagrama unifilar y el cronograma de cables antes de realizar el pedido. Revisaremos la disposición de conmutación, la especificación del pararrayos y la amortiguación secundaria en función de su circuito real, y le indicaremos a cuál de las cuatro condiciones corresponde — y cuáles ya ha eliminado mediante su diseño. Esa es la conversación que fabricante de transformadores tipo poste debería estar teniendo con usted antes de realizar el pedido, no después de que falle el primer pararrayos.

Sobre el autor

Este artículo fue elaborado por el equipo de ingeniería de transformadores de Ryan Electric. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) diseña y fabrica transformadores secos de resina fundida y de impregnación al vacío (VPI), transformadores sumergidos en aceite y unidades montadas sobre pedestal en su planta de fabricación de 120 000 m², atendiendo proyectos de centros de datos, industriales, de servicios públicos e infraestructura en Norteamérica, el sudeste asiático, Oriente Medio y África.