Protección de transformadores sumergidos en aceite: relé Buchholz, especificaciones de sobrecorriente y diferencial que los compradores deben conocer

Un gestor de compras de una empresa minera chilena nos llamó en julio con una pregunta que escuchamos con más frecuencia de lo que los compradores esperan: si pedía un transformador de 15 MVA transformador Sumergido en Aceite de nuestra fábrica, ¿la protección iba incluida o debía adquirirla por separado? La respuesta breve es ambas cosas. Los dispositivos montados en el depósito se envían junto con la unidad, pero los ajustes del relé, las relaciones de los transformadores de corriente (CT) y la lógica de disparo se definen conjuntamente con el ingeniero de protección del comprador; y la mayoría de los fallos en campo sobre los que recibimos llamadas se remontan a esa transferencia de responsabilidades, no al transformador en sí.

La protección existe por una razón: una falla interna genera energía que el tanque no fue diseñado para contener de forma indefinida. Con una impedancia típica del 7 %, una falla en cortocircuito entre terminales puede elevar la corriente a más de catorce veces el valor nominal indicado en la placa. Un cortocircuito entre espiras dentro del tanque libera dicha energía en el aceite en milisegundos. La función del sistema de protección es detectar dicho evento tempranamente —eléctrica, hidráulica o térmicamente— y desconectar la unidad antes de que el tanque se rompa o el aceite se inflame.

 

Qué protección se incluye realmente en un transformador sumergido en aceite

Protección de transformadores en un transformador Sumergido en Aceite se divide en dos grupos. Primero, los dispositivos montados directamente sobre el tanque: el relé de gas Buchholz en la tubería entre el tanque principal y el conservador, un dispositivo de alivio de presión en la tapa del tanque, indicadores de temperatura del aceite y de los devanados con contactos de alarma, y un indicador del nivel de aceite. Segundo, los relés de protección externos ubicados en un armario o en un panel de subestación: funciones de sobrecorriente, diferencial y de falla a tierra que disparan el interruptor del lado primario.

Esa división es relevante para los compradores. Los dispositivos montados sobre el tanque forman parte del alcance del transformador: la fábrica los instala, cablea y prueba. El esquema de relés externos suele definirse en la filosofía de protección del proyecto, y sus ajustes corresponden al operador de la red eléctrica o al ingeniero de protección de la empresa EPC. La brecha más común que observamos es la siguiente: el comprador asume que el alcance de fábrica incluye la coordinación de relés, mientras que el ingeniero de protección asume que el transformador llega con un panel de protección completamente cableado. Ambas suposiciones son incorrectas, y la puesta en servicio se estanca.

 

El relé Buchholz: el único dispositivo que mira dentro del depósito

La Relé Buchholz se sitúa en la tubería que conecta el depósito principal con el conservador y está lleno de aceite durante el servicio normal. Detecta dos tipos distintos de anomalías. Las fallas lentas —como el envejecimiento del aislamiento, una conexión floja o pequeñas descargas parciales— generan gas que asciende y se acumula en la cámara del relé. Cuando el volumen de gas alcanza el umbral de la primera etapa, una boya desciende y cierra el contacto de alarma. Las fallas violentas, como un cortocircuito entre fases en los devanados, provocan una oleada de aceite a través de la tubería. Esta oleada inclina una compuerta y cierra el contacto de disparo casi de inmediato, mucho más rápido que cualquier medición eléctrica aguas abajo pueda responder.

En nuestro banco de ensayos, cada Relé Buchholz se somete a pruebas en banco antes de su instalación. Inyectamos aire a través de la entrada de aceite para verificar que el flotador de alarma funcione con el volumen de gas especificado; luego realizamos una prueba de sobrecarga para confirmar que el contacto de disparo se cierre y que los cables lleguen hasta la caja de agrupamiento. Se toman fotografías del cableado del contacto y se archivan en la documentación de la prueba de aceptación en fábrica (FAT), porque, en un sitio remoto, un contacto de alarma mal conectado puede hacer que un técnico pierda un día completo rastreando el problema. Parece algo pequeño. Es precisamente ese tipo de detalle pequeño el que determina si una primera falla se manifiesta como una alarma o como un disparo innecesario.

El detalle de la instalación es donde los relés de gas adquieren su reputación. El relé debe montarse en posición horizontal, con su flecha apuntando hacia el conservador: así fluye el aceite en servicio normal y así viajan también los gases. En una ocasión visitamos un emplazamiento donde el relé se había instalado con juntas de brida que atrapaban una bolsa de aire visible; la alarma se activó dentro de una semana debido a la acumulación de gas que nunca procedió de una falla. El punto de muestreo de aceite y la válvula de prueba del relé son las dos conexiones cuya ubicación conviene determinar antes de encerrar la unidad, pues ambas se utilizan durante el primer año de operación.

 

Protección contra sobrecorriente y diferencial: significado de los números de dispositivo

La protección externa mediante relés emplea los números de dispositivo ANSI/IEEE, y los tres que encontrará en casi todos los pedidos de clase distribución son 50, 51 y 87T. 50es sobrecorriente instantánea: desconecta rápidamente ante corrientes de falla muy superiores a la carga. 51es una sobrecorriente con retardo de tiempo: coordina con los dispositivos aguas abajo para que una falla en un alimentador se despeje en el alimentador, no en el transformador. 87T es la protección diferencial del transformador: compara la corriente que entra al devanado primario con la corriente que sale del secundario, medida mediante TC en ambos lados, y abre el circuito cuando ambas dejan de coincidir — la forma más rápida y fiable de detectar fallas en los devanados dentro del tanque.

La Guía IEEE para la protección de transformadores de potencia (IEEE C37.91-2021) establece su alcance como unidades trifásicas con capacidad nominal superior a 5 MVA y tensión operativa superior a 10 kV, y recomienda un esquema completo —incluida la protección diferencial— a ese nivel. Por debajo de dicho nivel, es práctica común usar fusibles o relés de sobrecorriente coordinados, razón por la cual un pequeño transformador de distribución rara vez incorpora protección diferencial, mientras que un transformador de potencia de 15 MVA sí debería tenerla. Si su ingeniero de protección no ha solicitado protección diferencial para una unidad de tamaño superior al indicado, pregúntele por qué. La guía constituye material de referencia público y merece ser leída antes de su próxima solicitud de cotización.

La filosofía de ajuste es un tema en sí mismo, pero hay un valor que debe conocer todo comprador: la corriente de conexión inicial del transformador. Cuando se energiza un transformador Sumergido en Aceite transformador, la corriente de magnetización puede alcanzar de ocho a doce veces la corriente nominal durante los primeros ciclos antes de decaer. Un elemento instantáneo de sobrecorriente ajustado por debajo de ese valor haría que el equipo se desconectara en cada energización normal. Por eso los elementos 50 se ajustan por encima de la corriente de conexión inicial o se bloquean brevemente al cierre, por eso los elementos 51 se coordinan con la protección de las derivaciones aguas abajo y por eso los relés diferenciales emplean restricción armónica: ignoran la corriente de conexión inicial pero siguen detectando una falla interna real. Su proveedor no elige estos ajustes; lo hace su ingeniero especializado en protección. Lo que la fábrica del transformador debe entregar son los datos de ensayo —impedancia, curva de saturación, pérdidas en vacío— que permiten realizar el estudio de coordinación.

 

Alivio de presión, temperatura y nivel de aceite: El resto del esquema

Tres dispositivos adicionales montados en el tanque merecen una mención en su especificación. El dispositivo de alivio de presión libera el tanque si la presión interna aumenta más rápidamente de lo que el relé de gas puede responder; piense en él como la válvula de seguridad mecánica del sistema. El indicador de temperatura del aceite y el indicador de temperatura del devanado incorporan contactos de alarma y de disparo, normalmente ajustados según la temperatura del aceite superior que corresponde a un diseño de elevación promedio del devanado de 65 K. Y el indicador del nivel de aceite con alarma de nivel bajo detecta las fugas lentas que un relé de gas no puede identificar, porque un conservador que se vacía progresivamente suele ser un problema de mantenimiento antes de convertirse en un evento de protección.

Un punto de RFQ aquí: solicite la lista de contactos. Especifique cuántos contactos de alarma y disparo adicionales debe incluir cada dispositivo, si los contactos están calificados para el voltaje de control en corriente continua (CC) de su panel (24, 48, 110 o 220 V CC son los más comunes) y si la caja de agrupamiento incluye bornes, un calentador y placas de entrada de cables. La instalación posterior de contactos tras la entrega resulta desproporcionadamente costosa. Especificarlos requiere solo una línea en el RFQ.

 

Pruebas de fábrica que demuestran el funcionamiento de la protección

La protección es tan buena como la instalación de cableado que la soporta; por eso realizamos dos series de pruebas. Primero, las pruebas eléctricas rutinarias bajo IEEE C57.12.00 : relación de transformación, polaridad, resistencia de devanados, pérdidas en vacío y con carga, impedancia y pruebas dieléctricas. Luego, las verificaciones de protección que nunca aparecen en una lista estándar de pruebas rutinarias: verificación de polaridad y relación de los transformadores de corriente (TC), continuidad desde cada contacto de alarma hasta los bornes de la caja de agrupamiento y una prueba de inyección primaria, en la que inyectamos corriente a través de los TC para comprobar que el relé detecta correctamente la magnitud y el sentido.

 

 

El año pasado, el inspector externo de un cliente solicitó presenciar una inyección primaria en una unidad de 20 MVA destinada al sudeste asiático. La prueba detectó un transformador de corriente (CT) secundario cuyos cables tenían polaridad invertida dentro de la caja de agrupamiento. Al detectarse en fábrica, la corrección tomó dos horas. Si se hubiera detectado en obra, habría provocado una operación errónea de la protección diferencial durante la primera puesta en servicio, lo que habría derivado en una conversación sobre reclamaciones que nadie desea tener. Por eso, la sección de pruebas de aceptación en fábrica (FAT) relativa a la protección merece la misma atención que las cifras de pérdidas en el informe de ensayos.

Actualmente, los relés numéricos realizan el trabajo que antes requería una pared completa de unidades electromecánicas, y muchos proyectos obtienen los datos de los relés mediante Modbus o IEC 61850 en lugar de utilizar únicamente un contacto seco. Independientemente del protocolo elegido, la pregunta fundamental en fábrica sigue siendo la misma: ¿se ha probado el bucle de protección de extremo a extremo, desde los bornes del TC hasta la bobina de disparo del interruptor? Un relé puede estar perfectamente configurado y aun así no disparar si el secundario del TC está abierto o si el cable de disparo está conectado al borne equivocado; por eso, probarlo de extremo a extremo durante la FAT resulta hasta diez veces más económico que realizar la misma prueba en sitio.

 

Seis preguntas que incluir en su RFQ

1. ¿Qué dispositivos de protección están montados y cableados en fábrica, y cuáles se envían sueltos?
2. Relé Buchholz: marca y modelo; ¿se prueban en banco las etapas de alarma y de disparo, con fotografías incluidas en el archivo de FAT?
3. TC: relación, clase de precisión (una clase de protección como 5P20) y diagrama de polaridad incluidos en los planos?
4. ¿Los dispositivos de temperatura, nivel de aceite y presión cuentan con contactos de reserva para futuras conexiones SCADA?
5. ¿Incluye el informe de pruebas de fábrica la inyección primaria en CT y la continuidad de contactos, o únicamente las pruebas eléctricas de rutina?
6. ¿Qué documentación de protección se envía con la unidad: diagramas de cableado, manuales de relés, certificados de prueba?

Esto es lo que importa en la práctica. Un comprador de servicios públicos con el que trabajamos en Oriente Medio normaliza todos los pedidos de subestaciones en una única plataforma de relés y un único conjunto de especificaciones de contactos. Desde nuestro lado, esa normalización implica el mismo cronograma de cableado, el mismo procedimiento de prueba y la misma lista de piezas de repuesto para cada unidad, lo que acorta la FAT y hace predecible la entrega al equipo de puesta en servicio del cliente.

Ryan Electric ha fabricado transformadores de distribución y de potencia desde 2007 en una instalación de 120 000 m², y la asociación con Eaton, iniciada en 2023, mantiene nuestra cadena de suministro de componentes y nuestra disciplina de pruebas de aceptación en fábrica (FAT) alineadas con lo que esperan las empresas eléctricas globales. Treinta y siete patentes, así como certificaciones UL, CSA, IEEE, DEKRA y CNAS, respaldan los procedimientos anteriores; ninguno de ellos sustituye los ajustes del ingeniero de protección, pero todos facilitan su labor.

Si está especificando un transformador Sumergido en Aceite para un proyecto de empresa eléctrica, minería o industria, envíenos sus datos de carga, tensión del sistema y filosofía de protección junto con su consulta. Nuestros ingenieros confirmarán el alcance de la protección, el programa de ensayos y el paquete de documentación antes de que formalice una orden de compra. Utilice nuestra página de contacto o solicite directamente una cotización, y le responderemos con soluciones, no con un folleto.

Sobre el autor esta guía fue redactada por el equipo de ingeniería y exportación de Ryan Electric, un fabricante chino de transformadores fundado en 2007. El equipo brinda apoyo a compradores de servicios públicos, empresas EPC e industriales en Norteamérica, Asia Sudoriental, Medio Oriente y África, con ingeniería de aplicaciones, soporte para certificaciones y documentación de pruebas en fábrica.