Corrientes de insercion en trafos

Esta es una traducción de un manual sobre protecciones para transformadores. De modo
que la descripción del fenómeno de las corrientes de inserción (inrush) no está tratado con
gran profundidad, pero sí con rigor técnico. Lo mismo sobre las armónicas presentes en
esos tipos de corrientes. Que les sea útil. Enrique Jaureguialzo.
CORRIENTE MAGNETIZANTE DE CONEXIÓN (Inrush)
La corriente magnetizante de conexión (o corriente de irrupción) es un fenómeno transitorio
que se presenta en el momento de la energización del transformador. No es una condición
de falla, por lo que no debe actuar la protección, la que por el contrario debe permanecer
estable durante ese transitorio. Este es un requerimiento de la mayor importancia en el
diseño del sistema de protección de transformadores. Cuando un inductor es energizado con
una tensión estable, el flujo que enlaza al circuito inductivo varía desde un pico negativo a
otro equivalente positivo durante medio ciclo de la onda de tensión. La variación del flujo
de dos veces del valor máximo es proporcional a la integral a respecto al tiempo de la onda
de tensión entre dos pasos sucesivos por cero.
Realizando la conexión durante el paso por cero de la onda de tensión, se produce una
variación total del flujo durante el primer medio ciclo, pero con el flujo inicial cero, el
máximo a generarse será de cerca del doble del pico normal.
Si el inductor es lineal, como por ejemplo, una bobina con núcleo de aire, la corriente de
conexión también crecerá hasta cerca del doble de la corriente final estable. El primario de
un transformador puede ser considerado como un inductor con núcleo de hierro, en donde
el pico normal de flujo está cercano a la saturación, por lo que un incremento al doble del
flujo corresponde a una saturación extrema. Por lo tanto, la corriente de magnetización
crece a un valor muy alto, que puede exceder a la de plena carga nominal, y de ahí el
nombre de "corriente de irrupción" o de "conexión" . El flujo residual puede aumentar aún
más a la corriente. Si el flujo remanente inicial, (presente en el instante de la conexión), en
lugar de ser cero, tiene un valor positivo, es decir un valor inicial en el mismo sentido del
cambio del flujo, su incremento se mantendrá en la misma forma, ya que es proporcional al
semiciclo de tensión, y el valor pico asociado será del orden de 2,8 veces el valor normal
con un 80 % de remanencia presente en el momento de la conexión. Las altas densidades de
flujo mencionadas recién están tan por encima del margen normal de trabajo, que la
permeabilidad relativa incremental del núcleo se aproxima a la unidad y la inductancia del
devanado cae a valores cercanos a los que tendría en inductor, pero con núcleo de aire. La
onda de corriente, comenzando de cero, aumenta lentamente al principio, el flujo tiene un
valor apenas por encima del valor residual y la permeabilidad del núcleo es moderadamente
alta. Cuando el flujo pasa de los valores normales de trabajo y entra en la zona de alta
saturación del lazo de histéresis, cae el valor de la inductancia y la corriente crece
rápidamente a un valor pico, el cual puede llegar a ser quinientas veces el valor de la
corriente estabilizada de magnetización. Cuando el pico ha pasado, (en el próximo paso por
cero de la tensión), el siguiente semiciclo negativo de tensión reduce el flujo al valor
inicial, cayendo la corriente simétricamente a cero. Por lo tanto, la onda de corriente es
totalmente asimétrica, y como en el caso de la onda asimétrica en un inductor lineal, sólo se
restituye a su valor estable por las pérdidas del circuito. La constante de tiempo de esta
transición es relativamente larga, quizás entre 0,1s para transformadores de 100 k VA hasta
1s para máquinas grandes. Como la característica de magnetización no es lineal, la
envolvente de la corriente transitoria no es de forma estrictamente exponencial; se puede
ver cambiando a la corriente de magnetización hasta 30 min o más después de haberse
conectado el transformador. La conexión en otros instantes de la onda de tensión provoca
valores menores de la corriente transitoria. Si el momento de la onda es elegido de modo
que el flujo residual tiene un valor correcto para ese instante bajo condiciones estables, no
se provocarán transitorios y circulará inmediatamente la corriente de vacío. En el caso de
transformadores trifásicos, el paso de la onda de tensión en el momento de la conexión es
diferente para cada fase, por lo que se provocarán distintas corrientes de irrupción. Se dará
el caso de alguna interferencia mutua, debido a la combinación de flujos en las culatas. De
esta forma es posible que una fase con un punto de inserción en la onda de tensión en que
no produciría corriente de irrupción, reciba, de todos modos, una corriente transitoria de
inserción de gran magnitud. En este caso, la onda de corriente no estará desplazada respecto
al eje cero, pero estará distorsionada.
Contenido de armónicas en la onda de irrupción.
La onda de la corriente de magnetización del transformador contiene una proporción de
armónicas que va en aumento a medida que la densidad de flujo llega a la saturación.
Mientras la onda se mantenga simétrica respecto al eje horizontal, sólo se presentarán
armónicas impares. Esta condición es típica para corrientes alternas circulando a través de
impedancias que no tengan propiedades polarizantes direccionales. La corriente
magnetizante de un transformador de ese tipo contendrá una tercera armónica y,
progresivamente, proporciones menores de quinta, séptima, etc. Si el grado de saturación va
en aumento, no sólo se incrementará el total de armónicas, sino que la proporción relativa
de la quinta aumentará y eventualmente superará a la tercera armónica. A un grado mayor,
la séptima armónica superará a la quinta, pero esto significa un grado de saturación tal, que
no se dará en la práctica en un transformador. Las condiciones de conexión que den como
resultado una corriente de irrupción desplazada, producen una forma de onda que no es
simétrica respecto al eje horizontal, pero que es simétrica, con despreciable disminución de
amplitud, respecto a otras ordenadas. Tal tipo de ondas contienen armónicas tanto pares
como impares. Una típica onda de corriente de irrupción contiene cantidades importantes
de segunda y tercera armónica, y cantidades decrecientes de las de orden superior. A
medida que la onda se estabiliza, la proporción de armónicas varía con el grado de
saturación, de modo que cuando una onda de irrupción severa va disminuyendo en su valor,
la composición de armónicas de la corriente va pasando por una variada gama de
condiciones.
Aún la corriente de irrupción que no está desplazada, no es simétrica respecto al eje
horizontal, pero tiene una simetría espejo alrededor de la ordenada elegida. Esta onda, por
lo tanto, tiene armónicas pares e impares.