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CONSTRUIMOS FUTURO Facultad de Ingenierías Físico- Mecánicas Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones
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Transformadores UIS

Jan 26, 2015

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  • 1. CONSTRUIMOS FUTURO Facultad de Ingenieras Fsico-Mecnicas Escuela de Ingenieras Elctrica, Electrnica y de Telecomunicaciones

2. CONSTRUIMOS FUTURO martes 12 de agosto de 2014 Protecciones Elctricas Transformadores Gilberto Carrillo Caicedo 3. Gilberto Carrillo Caicedo 3 martes 12 de agosto de 2014 INTRODUCCIN La proteccin para los transformadores de potencia, depende del tamao, la tensin y la importancia que pueda teneren el sistema. En la prctica general, adicionalmente a la proteccin elctrica contra sobrecalentamiento o sobrecarga, puede haberaccesorios trmicos o mecnicos para accionaruna alarma, un banco de ventiladores, y en ltima instancia desconectarlos transformadores. La proteccin de los transformadores se hace tpicamente con fusibles, para potencia hasta de 2,5 MVA, entre 2,5 y 5 MVA con fusibles o rels de sobrecorriente; de 5 a 10 MVA, se protegen con rels de sobrecorriente y/o proteccin diferencial simple, y para mayores de 10 MVA se usa necesariamente proteccin diferencial. 4. Gilberto Carrillo Caicedo 4 martes 12 de agosto de 2014 PROTECCION CON FUSIBLES Los fusibles se emplean normalmente para transformadores hasta de 5 MVA. Las normas NEMA especifican que para tensiones inferiores a 600 voltios primarios, y si los transformadores se protegen solo en el primario, los fusibles deben teneruna capacidad de corriente inferiordel 150% de la capacidad primaria del transformador. Para transformadores protegidos simultneamente en el primario y el secundario la seleccin del fusible se hace de acuerdo a la tabla (a). 5. Gilberto Carrillo Caicedo 5 martes 12 de agosto de 2014 Caractersticas fusibles PROTECCION CON FUSIBLES 6. Gilberto Carrillo Caicedo 6 martes 12 de agosto de 2014 Tabla (a) Seleccin del fusible PROTECCION CON FUSIBLES 7. Gilberto Carrillo Caicedo 7 martes 12 de agosto de 2014 Para transformadores con tensiones superiores a 600 V las normas dan curvas que representan la caracterstica de seguridad. Estas caractersticas se usan para la seleccin de la proteccin de sobrecarga en transformadores pequeos. Las curvas se pueden obtenerde la tabla (b). Tabla (b) Capacidad de sobrecarga de los transformadores PROTECCION CON FUSIBLES 8. Gilberto Carrillo Caicedo 8 martes 12 de agosto de 2014 Seleccin para proteccin de sobrecarga del transformador. La curva de seguridad (Safe Loading Curve) como se muestra a continuacin se superpone sobre la curva del fusible, y si esta est pordebajo de la seguridad; el fusible proteger el transformadoradecuadamente, como se ve en la figura (a). Curva de seguridad del transformador 9. Gilberto Carrillo Caicedo 9 martes 12 de agosto de 2014 Seleccin para proteccin de sobrecarga del transformador. Figura (a) Seleccin del fusible protegiendo el transformador 10. Gilberto Carrillo Caicedo 10 martes 12 de agosto de 2014 Seleccin para mantenimiento de produccin. Cuando la curva de sobrecarga est pordebajo de la del fusible, este no necesariamente dar proteccin de sobrecarga al transformador; pero evitar que el sistema se desenergice innecesariamente y pierda, portanto, produccin. Seleccin del fusible manteniendo produccin 11. Gilberto Carrillo Caicedo 11 martes 12 de agosto de 2014 Uso de fusibles tipo dual. Existen unos fusibles especialmente diseados para seguirmuy cercanamente la curva de seguridad del transformador, conocidos como clase dual y su caracterstica de comportamiento se muestra en la siguiente figura. Seleccin del fusible tipo Dual 12. Gilberto Carrillo Caicedo 12 martes 12 de agosto de 2014 PROTECCIN CON REL DE SOBRECORRIENTE La proteccin con rel de sobrecorriente se emplea en transformadores de mayorimportancia donde no pueda justificarse la proteccin diferencial. Los criterios de proteccin y ajuste de estos rels se vern a continuacin. Si la carga en el transformadores diversificada, con motores no muy grandes cuyas corrientes de arranque pudieran serparmetros limitantes, se considera la corriente del rel 1.5 veces la corriente nominal del transformador, esto es, muchas veces suficientes para permitirque los rels admitan los desbalances de la corriente de carga. 13. Gilberto Carrillo Caicedo 13 martes 12 de agosto de 2014 PROTECCIN CON REL DE SOBRECORRIENTE Cuando se tienen varios transformadores en un alimentadorsin proteccin individual primaria, se ajusta la corriente del rel a 1.5 veces la corriente total de plena carga de los transformadores. El ajuste para el rel de sobrecorriente no debe sermayorque seis veces la corriente nominal de plena carga del transformadorms pequeo pues de lo contrario no se puede garantizarsu proteccin. Para la proteccin principal (50) de un transformadorse debe ajustar la unidad instantnea del rel porencima de la corriente primaria, cuando ocurre un corto cerca de los terminales secundarios, generalmente este ajuste est porencima de la corriente de energizacin del transformadory puede ser12 a 14 veces la corriente nominal de la carga. 14. Gilberto Carrillo Caicedo 14 martes 12 de agosto de 2014 PROTECCIN CON REL DE SOBRECORRIENTE Los rels de tierra (51) en el neutro del transformadorse pueden ajustarnormalmente, con una sensitividad del 10 % o menos, de la corriente a plena carga del transformador, asegurndose que esta forma sea mayorque la menorde operacin de los rels diferenciales. 15. Gilberto Carrillo Caicedo 15 martes 12 de agosto de 2014 PROTECCIN CON REL DE SOBRECORRIENTE Diferentes posibilidades de conexin de los rels de tierra en un transformador 16. Gilberto Carrillo Caicedo 16 martes 12 de agosto de 2014 PROTECCIN CON REL DE SOBRECORRIENTE Diferentes posibilidades de conexin de los rels de tierra en un transformador 17. Gilberto Carrillo Caicedo 17 martes 12 de agosto de 2014 PROTECCIN DIFERENCIAL La proteccin diferencial es mucho ms rpida y selectiva que las anteriores, pero ms costosa, porello se utiliza con transformadores grandes para los cuales se podra justificar(Mayores de MVA). Conexin de transformadores de corriente. La base de la proteccin diferencial es la conexin de los transformadores de corriente situados en el primario y en el secundario. Debido a que las corrientes en el primario difieren de las medidas en el secundario porla relacin inversa de transformacin; para poderlas compararse tiene que relacionarlas relaciones de transformacin de los TCs para compensaresta luego. 18. Gilberto Carrillo Caicedo 18 martes 12 de agosto de 2014 CONEXIN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Si los transformadores de potencia son Y las corrientes primarias y secundarias tendrn una diferencia adicional en magnitud de , y una diferencia angularadicional de 30 para evitarque debido a la conexin del transformadorde potencia el rel opere errneamente, esta se compensa con la conexin de los TCs, esto es, en un transformador Y. los transformadores de corriente primarios se conectarn en Y y los secundarios en . Estas condiciones se muestran en la tabla (b) y se ilustran en el ejemplo mostrado en la figura (b). prim prim V V aI I sec sec 1 = 19. Gilberto Carrillo Caicedo 19 martes 12 de agosto de 2014 CONEXIN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Si se tiene un transformadorde potencia el cual se le va a conectarla proteccin diferencial, el primerpaso consiste en conectarlos transformadores de corriente de manera que no ocurra el disparo para fallas externas (o cargas), esto se hace fijando unas corrientes de 1, a y a2 en el lado Y , obteniendo las correspondientes del lado delta de la Tabla (b) Conexin de los transformadores de Potencia y Corriente 20. Gilberto Carrillo Caicedo 20 martes 12 de agosto de 2014 CONEXIN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE lnea y las secundarias de los transformadores de corriente; luego se conecta los transformadores de corriente del lado delta en Y y llevando los terminales del lado no comn a la estrella de cada uno de los rels; la salida de los rels se conecta a los transformadores de corriente del lado Y teniendo el cuidado de sacardel rel la misma corriente que le entro del otro grupo de TCs como se v en la figura (b). Si el transformadores es multidevanado se sigue el mismo proceso porcada parde devanados. El siguiente paso consiste en probarque opera en caso de fallas internas. 21. Gilberto Carrillo Caicedo 21 martes 12 de agosto de 2014 CONEXIN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Figura (b) Proteccin diferencial para un transformador 22. Gilberto Carrillo Caicedo 22 martes 12 de agosto de 2014 Corriente de Magnetizacin Inicial. En la conexin diferencial se lleva al rel (a la bobina de operacin del rel) la diferencia entre la corriente de entrada y la de salida; la cual corresponde, en condiciones de carga o de falla externa, a la corriente de magnetizacin del transformador. Esta corriente es, normalmente, pequea (1 al 5% de la nominal), pero durante la energizacion puede llegara valores similares a los de cortocircuito (1200% de la nominal) dependiendo de las condiciones existentes al conectar el transformador. 23. Gilberto Carrillo Caicedo 23 martes 12 de agosto de 2014 Esta es una condicin para la cual no debera operarla proteccin, porlo tanto, sera necesario desensilibizarla proteccin al conectarel transformadorcon un rel de voltaje de alta velocidad (RVAV). Si al hacerla conexin existe un cortocircuito este rel no opera, dejando conectada la bobina de operacin. Para permitirla operacin del rel despus de la energizacion, un rel de voltaje temporizado a la apertura (RVTA) abre su contacto despus de un cierto tiempo. Como se ve en la siguiente figura. Para no desensibilizarel rel, y considerando que la corriente de magnetizacin inicial contiene un alto porcentaje de armnicos, se envan estos, a travs de un filtro pasa-altos a una bobina de restriccin, llevando la componente fundamental a la bobina de operacin como se muestra en la figura (c). Este rel, especficamente utilizado para transformadores, se conoce como "rel diferencial con restriccin de armnicos". Corriente de Magnetizacin Inicial. 24. Gilberto Carrillo Caicedo 24 martes 12 de agosto de 2014 Forma de prevenirla operacin de la proteccin del transformadorporla corriente de magnetizacin inicial. Figura (c) 25. Gilberto Carrillo Caicedo 25 martes 12 de agosto de 2014 Proteccin con rel diferencial de porcentaje. Para evitarel disparo porfallas externas debido al desajuste de corrientes secundarias de los TC's o por cambio de relacin de transformacin con tomas se utilizan bobinas de restriccin en el rel diferencial. La cantidad de restriccin se define como el porcentaje de la corriente requerida porel devanado de operacin para vencerel torque de restriccin y se denomina pendiente como se trat en el captulo tercero. La pendiente requerida puede variardel 10 al 50% dependiendo del rango. 26. Gilberto Carrillo Caicedo 26 martes 12 de agosto de 2014 FALLA ENTRE ESPIRAS La falla entre espiras, origina una corriente circulante por la trayectoria cerrada formada porel corto, sta corriente es proporcionalmente mas alta entre menos espiras estn involucradas . 27. Gilberto Carrillo Caicedo 27 martes 12 de agosto de 2014 PROTECCIN CON RELS ACTUADOS POR GASES Composicin. Los gases generados en el aceite de un transformador pueden correspondera fallas ocurridas en el devanado. Los gases aparecen porlos siguientes procesos: Disolucin del aire u otros gases que se ponen en contacto con el aceite o se filtran dentro del tanque. Liberacin de hidrgeno del agua poroxidacin del hierro. Pirolisis del hidrocarburo (o aceite). Pirolisis del la celulosa (aislante). Estos cambios se pueden aprovecharpara proteger, el transformadormediante analizadores de gas. 28. Gilberto Carrillo Caicedo 28 martes 12 de agosto de 2014 Rel Buchholz Es un rel situado en el canal de conduccin de los gases hacia el conservadorcolocado en la parte superiorde algunos transformadores. El rel consta de dos interruptores de mercurio. Uno cierra el contacto porla acumulacin de gases en el rel, consecuencia de algn corto entre espiras o alguna sobrecarga pesada mantenida; el otro acta porel caudal con que pasan los gases hacia el conservadorcomo sucede en condiciones de corto circuito. El primero acciona una alarma mientras el segundo acta el interruptor. 29. Gilberto Carrillo Caicedo 29 martes 12 de agosto de 2014 RELS DE TEMPERATURAS 0 TRMICOS. Para detectarlas altas temperaturas en el aceite y los efectos de calentamiento de la corriente de carga sobre el devanado, se usa el rel con elemento termosttico sumergido en el aceite del transformador, que lleva una corriente proporcional a la corriente de carga. La forma de lograrlo es ubicando el indicadorde temperatura en una bolsa de aceite, e introducirall una resistencia que vara con la temperatura (RTD) con un TC ubicado en el embobinado (49). Esta bolsa es una rplica trmica del devanado y se coloca aproximadamente 25 cms pordebajo del tope del tanque, donde se supone se encuentra la parte ms caliente del aceite. Esta replica tiene como funcin medirla temperatura del transformador, desconectndolo si es muy alta ya que acciona un contacto. Primera Etapa: Accionarventiladores Segunda Etapa: Sealizacin de alarma Tercera Etapa: Abrirel interruptor. 30. Gilberto Carrillo Caicedo 30 martes 12 de agosto de 2014 FIJACIN DE UN REL DIFERENCIAL Dado el transformadortrifsico , seleccione los transformadores de corriente y ajuste los rels diferenciales. Se tienen instalados rels STD, General Electri 3000 KVA Autoenfriado 3750 KVA Enfriado poraire forzado A: Alta tensin B: Baja tensin 31. Gilberto Carrillo Caicedo 31 martes 12 de agosto de 2014 1. CONEXIN DE LOS TCs BAJA TENSION ALTATENSION 1.1 Los TCs se conectan de acuerdo con la regla dada en la tabla 5.3 2. Chequeo de la relacin de los TCs 2.1 Mxima corriente de lnea ( Ip mx.) ( )lineaKV KVA Ip transf 3 max max = A88.156 8.13*3 3750 = A68.19 110*3 3750 = APENDICE 32. Gilberto Carrillo Caicedo 32 martes 12 de agosto de 2014 2.2 Corriente de Lnea de plena carga nominal (100% Ip mx.) Para potencia nominal. 2.3 Para incrementarla sensibilidad se selecciona las relaciones de los TCs tan cerca a Ip como sea posible. 2.4 Clculo de las corrientes secundarias Is de los TCs ( )lineaKV KVA Ip transfdel 3 = A51.125 8.13*3 3000 = A75.15 110*3 3000 = 40 5 200 ==n 10 5 50 ==n n I I p s = AIs 92.3 40 88.156 == AIs 97.1 10 58.19 == APENDICE 33. Gilberto Carrillo Caicedo 33 martes 12 de agosto de 2014 2.5 Clculo de las corrientes en el rel 2.6 Clculo de la relacin de corrientes en el rel 3. CHEQUEO DE PORCENTAJE DE AJUSTE DE CORRIENTE. 3.1 Utilizando rels tipo STDGeneral Electric cuyos taps son: 2.9; 3.2; 3.8; 4.2; 4.6; 5.0; 8.7. Estos taps son comunes a los rels citados. AIrB 92.3= A xIrB 41.3 397.1 = = 41.3 92.3 = rA rB I I 15.1= APENDICE 34. Gilberto Carrillo Caicedo 34 martes 12 de agosto de 2014 3.2Sedebenseleccionarlos Taps tales quesurelacinsea lamas cercanaalarelacinde corrientes secundarias del paso 2.6 Tap lado de baja () = TB Tap lado de alta (Y) = TA TB=5 TA=4.2 3.3 Calculo del porcentaje de desajuste M S= Es el mas pequeo de los dos trminos. El valoranterioresta dentro del 15% de errorlimite de ajuste. s TA TB I I M rA rB = TA TB o I I rA rB %48.3 %100 15.1 19.115.1 %1002.4 5 41.3 92.3 = = = xM x s M APENDICE 35. Gilberto Carrillo Caicedo 35 martes 12 de agosto de 2014 4. DETERMINACIN DEL BURDEN DE CADA TC. Para determinarel burden se usan las siguientes expresiones Donde: B= carga total ofrecida porel rel. n = Relacin de espiras en el TC. e = Resistencia porespira del TC a la mxima temperatura esperada. Para TCs conectados en: Y Utilizando un Rel ATD TA= 4.2 (lado Y) B= 0.112 n = 10 e = 4.0 f = 50 m Se asume una: R=0.284 Lado de baja tensin () (TCs en Y) Para TCs conectados en: Utilizando un Rel ATD TB= 5 (lado ) B= 0.088 n = 40 e = 2.6 f = 31 m Se asume una: R=0.284 Lado de baja tensin (Y) (TCs en ) APENDICE 36. Gilberto Carrillo Caicedo 36 martes 12 de agosto de 2014 f = Resistencia del TC por cable, m (a la mxima temperatura esperada) R= Resistencia en una va del cable de control (a la mxima temperatura esperada) 4.1 DETERMINACION DE LA CORRIENTE SECUNDARIA DEL TC PARA 8 VECES EL AJUSTE DEL TAP. Is = 8* nominal del tap del rel 40 33.6 ( )284.02 1000 31*26.2*40 088.0 + + +=Zt 822.0=Zt ( )284.02 1000 504*10 112.0*2 + + +=Zt 932.0=Zt APENDICE 37. Gilberto Carrillo Caicedo 37 martes 12 de agosto de 2014 4.2 Clculo del voltaje secundario en el TC requerido a 8 veces el ajuste del tap 32.88 31.32 4.3 De la curva de excitacin del tap particulardel TC que se est utilizando se determina la corriente de excitacin Ie , correspondiente a este voltaje secundario, Esec ZtIsE *sec = APENDICE 38. Gilberto Carrillo Caicedo 38 martes 12 de agosto de 2014 4.4 Determinacin del error porcentual Este errorno debe exceder el 20% para ningn TC, si esto ocurre se escoge un tap mas alto en TC (mayor relacin). Is Ie error 100* % = APENDICE 39. CONSTRUIMOS FUTURO martes 12 de agosto de 2014 40. CONSTRUIMOS FUTURO Facultad de Ingenieras Fsico-Mecnicas Escuela de Ingenieras Elctrica, Electrnica y de Telecomunicaciones