Que es la Restricción de Corriente de Magnetización "Inrush"?

Restricción de Corriente Inrush

En resumen, la restricción de la Corriente de Magnetización "Inrush" es la modificación temporal de los elementos de protección para permitir la re-energización del transformador sin disparos no deseados. Dicha restricción se logra principalmente mediante dos métodos:

1. Aplicación de multiplicadores temporales a los umbrales de sobrecorriente.
2. Identificación y limitación de los efectos de la magnetización, más que solo sobrecorriente.

¿De dónde proviene la corriente de magnetización "Inrush"?

Los mayores aliados para garantizar el éxito de la red eléctrica han sido los transformadores. Estos dispositivos permiten transformar los niveles de tensión de una fuente de alimentación y así facilitar la transmisión y distribución a gran escala de la electricidad.

Al reestablecer el suministro en un transformador después de haber sido des-energizado, debido a un corte o a una falla temporal, mediante la operación del interruptor localizado aguas arriba, es requerida energía adicional para reestablecer la trayectoria ideal del flujo magnético de su núcleo. Desde una referencia externa al transformador, esto se manifiesta como un pico relativamente alto de la corriente que se amortigua a lo largo de unos pocos ciclos (~ 100 ms).

Mientras que la corriente de Magnetización "Inrush" desaparece de forma rápida, al tiempo que el transformador alcanza el estado de operación permanente, sus valores iniciales pueden superar el límite de sobrecorriente en estado estable.

Esta condición representa un inconveniente mayor, pues con el pico de corriente generado en cada intento de cerrar el circuito los relés e interruptores operarían, impidiendo un cierre seguro. Para abordar esta condición se ha creado la función conocida como Restricción de Corriente de Inrush.

Sin la función Restricción de Corriente de Inrush, algunos esquemas de protección contra sobrecorriente operarían durante esta condición, a pesar de no constituir una falla real.

¿Qué tan alta puede ser la Corriente de magnetización "Inrush"?

Al igual que en la mayoría de los casos en ingeniería eléctrica, depende. Los valores de corrientes de magnetización "Inrush" asociadas al transformador son dependientes de la cantidad de flujo residual de su núcleo y de las especificaciones del mismo. Un rango común es 8 a 14 veces de la corriente nominal. Entre menor sea la potencia del transformador, mayor es la corriente Inrush y menor el tiempo en el que dicha corriente decae [2].

Transformadores de mayor tamaño presentan valores de inductancia más altos, lo que conduce a corrientes de magnetización más bajas pero de mayor duración. Los fabricantes de transformadores proporcionan esta información con fines prácticos.

La Figura 2 muestra una superposición del cálculo de la corriente de pico Inrush.

Técnicas para la restringir la Corriente de magnetización "Inrush"

Ahora que sabemos que "Inrush" corresponde a un aumento asimétrico significativo de la corriente al energizar un trasformador, el cual decae rápidamente, ¿cómo se pueden diseñar esquemas de protección para mitigar este fenómeno?

Existen dos técnicas comunes para restringir la Corriente de magnetización "Inrush" en dispositivos eléctricos.

Multiplicadores / modificadores de la restricción de Corriente Inrush

Un método es aplicar un multiplicador temporal al nivel de la corriente de arranque. Este es un método simple que aumenta el valor de activación del valor de Sobrecorriente durante los primeros ciclos después de una re-energización, permitiendo que el transitorio suceda antes de que las condiciones de estado estable se consoliden.

El uso de multiplicadores / modificadores de la restricción de Corriente Inrush mantiene el valor de arranque de sobrecorriente por encima del transitorio asociado. Una solución sencilla que, al aplicarse solamente a la Sobrecorriente, permite aún la detección de fallas asimétricas, tales como fallas a tierra, lo que hace que la técnica sea segura y confiable.

Restricción del segundo y quinto armónico de la Corriente Inrush

Esta técnica alternativa se basa en la naturaleza asimétrica de la forma de onda de la corriente Inrush.

Al referirse a la Figura 1, se pude observar que la forma de onda no es simétrica con respecto al eje del tiempo. Utilizando la técnica matemática de la Transformada de Fourier se puede concluir que esta forma de onda presenta una componente de segundo armónico.

Por lo tanto, si se bloquea el disparo por sobrecorriente en función de la presencia del segundo armónico de la señal, se puede lograr el mismo resultado que se obtiene al aplicar el multiplicador de la restricción de corriente.

No obstante, la restricción de Corriente Inrush por medio del segundo y el quinto armónico presenta un inconveniente.

El segundo armónico de la corriente Inrush de un transformador depende del ciclo de histéresis de su núcleo. Los transformadores más antiguos solían ser fabricados con materiales de menor densidad de flujo, que generaban componentes de segundo armónico más altas. Los transformadores modernos utilizan materiales de alta densidad de flujo para mejorar la eficiencia y reducir las pérdidas. [1], [3], [4].

A medida que el sistema de potencia integra transformadores más modernos y eficientes, la técnica de la inhibición del disparo por segundo armónico se torna menos confiable. Tradicionalmente se utilizó como parámetro el valor del 20% del 2º armónico frente a la componente fundamental de la corriente, sin embargo, los nuevos transformadores pueden presentar dificultades para alcanzar este umbral, en el peor de los casos. Con los transformadores modernos, la corriente de magnetización sigue presente, pero no el bloqueo del disparo, lo que provocará operaciones indeseadas.

¿Cuál técnica emplear?

Al implementar un esquema de protección diferencial en el transformador, el método del segundo armónico ha sido la técnica tradicional. Sin embargo, el despliegue de transformadores modernos está motivando una investigación activa para su reemplazo. Para los lectores técnicos, Randy Hamilton publicó un excelente artículo sobre el tema. Disponible aquí.

Para aplicaciones en sistemas de distribución fuera de las subestaciones, el uso de la técnica de restricción de corriente Inrush con base en multiplicadores presenta ventajas, siendo más probable que cubra los transformadores modernos eficientes. Al aplicar el multiplicador solo a la sobrecorriente, se conserva la sensibilidad a otras fallas (fallas a tierra u otros tipos de fallas asimétricas).

La implementación de NOJA Power utiliza el enfoque con base en multiplicadores, porque es mejor para las redes de distribución de Media Tensión en la mayoría de los casos.

“La coordinación de protecciones para los sistemas de distribución en la actualidad presentan mayores desafíos a medida que los niveles de fallas afectan redes con más generación conectada por medio de inversores”, manifiesta Neil O’Sullivan, Director Ejecutivo del grupo NOJA Power.

“Una herramienta fundamental con que disponen los ingenieros de protección es nuestra restricción de corriente de Inrush y los multiplicadores de detección de carga en Frío, las cuales garantizan que la corriente de magnetización del transformador no cause disparos indeseados a la hora de la re-energización y así mantener el sistema de protección, mientras se reequilibra la diversidad de carga”

Conclusión

La red de distribución no podría operar sin transformadores, no obstante su comportamiento en el momento de energización implica la presencia de corrientes de magnetización Inrush, hecho cotidiano en redes eléctricas.

La magnitud de las corrientes Inrush pueden ser considerables no obstante su corta duración.

Aunque a la corriente de magnetización se le asocian incómodos efectos, como lo son los disparos indeseados, existen dos técnicas fundamentales para abordar esta condición.

Estas técnicas son los multiplicadores de Restricción de corriente Inrush y el bloqueo de armónicos.

Los multiplicadores aplicados al incremento temporal del nivel de sobrecorriente permiten que el transitorio transcurra sin que se presente un disparo. Las técnicas de bloqueo de armónicos buscan la asimetría de las corrientes Inrush.

La técnica de bloqueo de armónicos presenta un inconveniente en transformadores modernos, debido a que los materiales han sido mejorados dando como resultado armónicos mucho más bajos durante la energización. En las redes de distribución, la técnica más confiable es aplicar una restricción de corriente Inrush con base en multiplicadores.

El reconectador OSM de NOJA Power se utiliza en más de 95 países alrededor del mundo, en más de 65,000 instalaciones. Este sistema incluye Restricción de corriente de Inrush con base en multiplicadores, el cual es el método más confiable para la operación de la red de distribución en media tensión.

Referencias

[1] R. Hamilton, ‘Analysis of Transformer Inrush Current and Comparison of Harmonic Restraint Methods in Transformer Protection’, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 49, no. 4, pp. 1890–1899, Jul. 2013, doi: 10.1109/TIA.2013.2257155.

[2] ‘Protection of Network Elements’, in Protection of Electrical Networks, John Wiley & Sons, Ltd, 2006, pp. 361–486.

[3] E. Cardelli and A. Faba, ‘Numerical modeling of transformer inrush currents’, Phys. B Condens. Matter, vol. 435, pp. 116–119, Feb. 2014, doi: 10.1016/j.physb.2013.06.020.

[4] F. de Leon, A. Farazmand, and P. Joseph, ‘Comparing the T and π Equivalent Circuits for the Calculation of Transformer Inrush Currents’, IEEE Trans. Power Deliv., vol. 27, no. 4, pp. 2390–2398, Oct. 2012, doi: 10.1109/TPWRD.2012.2208229.