Transformadores UIS

CONSTRUIMOS FUTUROCONSTRUIMOS FUTURO

Facultad de Ingenierías Físico-MecánicasEscuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones


lunes 10 de abril de 2023

Protecciones Eléctricas

Transformadores

Gilberto Carrillo Caicedo


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INTRODUCCIÓN

La protección para los transformadores de potencia, depende del tamaño, la tensión y la importancia que pueda tener en el sistema.

En la práctica general, adicionalmente a la protección eléctrica contra sobrecalentamiento o sobrecarga, puede haber accesorios térmicos o mecánicos para accionar una alarma, un banco de ventiladores, y en última instancia desconectar los transformadores.

La protección de los transformadores se hace típicamente con fusibles, para potencia hasta de 2,5 MVA, entre 2,5 y 5 MVA con fusibles o relés de sobrecorriente; de 5 a 10 MVA, se protegen con relés de sobrecorriente y/o protección diferencial simple, y para mayores de 10 MVA se usa necesariamente protección diferencial.


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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 tener una capacidad de corriente inferior del 150% de la capacidad primaria del transformador.

Para transformadores protegidos simultáneamente en el primario y el secundario la selección del fusible se hace de acuerdo a la tabla (a).


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Características fusibles



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Tabla (a) Selección del fusible



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Para transformadores con tensiones superiores a 600 V las normas dan curvas que representan la característica de seguridad. Estas características se usan para la selección de la protección de sobrecarga en transformadores pequeños.Las curvas se pueden obtener de la tabla (b).

Tabla (b) Capacidad de sobrecarga de los transformadores



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Selección para protección de sobrecarga del transformador.

La curva de seguridad (Safe Loading Curve) como se muestra a continuación se superpone sobre la curva del fusible, y si esta está por debajo de la seguridad; el fusible protegerá el transformador adecuadamente, como se ve en la figura (a).

Curva de seguridad del transformador


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Selección para protección de sobrecarga del transformador.

Figura (a) Selección del fusible protegiendo el transformador


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Selección para mantenimiento de producción.

Cuando la curva de sobrecarga está por debajo de la del fusible, este no necesariamente dará protección de sobrecarga al transformador; pero evitará que el sistema se desenergice innecesariamente y pierda, por tanto, producción.

Selección del fusible manteniendo producción


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Uso de fusibles tipo dual.

Existen unos fusibles especialmente diseñados para seguir muy cercanamente la curva de seguridad del transformador, conocidos como clase dual y su característica de comportamiento se muestra en la siguiente figura.

Selección del fusible tipo Dual


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PROTECCIÓN CON RELÉ DE SOBRECORRIENTE

La protección con relé de sobrecorriente se emplea en transformadores de mayor importancia donde no pueda justificarse la protección diferencial.

Los criterios de protección y ajuste de estos relés se verán a continuación.

Si la carga en el transformador es diversificada, con motores no muy grandes cuyas corrientes de arranque pudieran ser parámetros limitantes, se considera la corriente del relé 1.5 veces la corriente nominal del transformador, esto es, muchas veces suficientes para permitir que los relés admitan los desbalances de la corriente de carga.


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PROTECCIÓN CON RELÉ DE SOBRECORRIENTECuando se tienen varios transformadores en un

alimentador sin protección individual primaria, se ajusta la corriente del relé a 1.5 veces la corriente total de plena carga de los transformadores. El ajuste para el relé de sobrecorriente no debe ser mayor que seis veces la corriente nominal de plena carga del transformador más pequeño pues de lo contrario no se puede garantizar su protección.

Para la protección principal (50) de un transformador se debe ajustar la unidad instantánea del relé por encima de la corriente primaria, cuando ocurre un corto cerca de los terminales secundarios, generalmente este ajuste está por encima de la corriente de energización del transformador y puede ser 12 a 14 veces la corriente nominal de la carga.


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Los relés de tierra (51) en el neutro del transformador se pueden ajustar normalmente, con una sensitividad del 10 % o menos, de la corriente a plena carga del transformador, asegurándose que esta forma sea mayor que la menor de operación de los relés diferenciales.


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Diferentes posibilidades de conexión de los relés de tierra en un transformador


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Diferentes posibilidades de conexión de los relés de tierra en un transformador


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PROTECCIÓN DIFERENCIAL

La protección diferencial es mucho más rápida y selectiva que las anteriores, pero más costosa, por ello se utiliza con transformadores grandes para los cuales se podría justificar (Mayores de MVA).

Conexión de transformadores de corriente.

La base de la protección diferencial es la conexión 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 por la relación inversa de transformación; para poderlas comparar se tiene que relacionar las relaciones de transformación de los TC’s para compensar esta luego.


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CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

Si los transformadores de potencia son Δ – Y las corrientes primarias y secundarias tendrán una diferencia adicional en magnitud de , y una diferencia angular adicional de 30º para evitar que debido a la conexión del transformador de potencia el relé opere erróneamente, esta se compensa con la conexión de los TC’s, esto es, en un transformador Δ – Y. los transformadores de corriente primarios se conectarán en Y y los secundarios en Δ.

Estas condiciones se muestran en la tabla (b) y se ilustran en el ejemplo mostrado en la figura (b).

prim

prim

V

V

aI

Isec

sec

1


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Si se tiene un transformador de potencia el cual se le va a conectar la protección diferencial, el primer paso consiste en conectar los 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) Conexión de los transformadores de Potencia y Corriente


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CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTElínea 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 común a la estrella de cada uno de los relés; la salida de los relés se conecta a los transformadores de corriente del lado Y teniendo el cuidado de sacar del relé la misma corriente que le entro del otro grupo de TC’s como se vé en la figura (b).

Si el transformadores es multidevanado se sigue el mismo proceso por cada par de devanados.

El siguiente paso consiste en probar que opera en caso de fallas internas.


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Figura (b) Protección diferencial para un transformador


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Corriente de Magnetización Inicial.

En la conexión diferencial se lleva al relé (a la bobina de operación del relé) 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 magnetización del transformador. Esta corriente es, normalmente, pequeña (1 al 5% de la nominal), pero durante la energizacion puede llegar a valores similares a los de cortocircuito (1200% de la nominal) dependiendo de las condiciones existentes al conectar el transformador.


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Esta es una condición para la cual no debería operar la protección, por lo tanto, sería necesario desensilibizar la protección al conectar el transformador con un relé de voltaje de alta velocidad (RVAV). Si al hacer la conexión existe un cortocircuito este relé no opera, dejando conectada la bobina de operación. Para permitir la operación del relé después de la energizacion, un relé de voltaje temporizado a la apertura (RVTA) abre su contacto después de un cierto tiempo. Como se ve en la siguiente figura.

Para no desensibilizar el relé, y considerando que la corriente de magnetización inicial contiene un alto por centaje de armónicos, se envían estos, a través de un filtro pasa-altos a una bobina de restricción, llevando la com ponente fundamental a la bobina de operación como se muestra en la figura (c). Este relé, específicamente utilizado para transformadores, se conoce como "relé diferen cial con restricción de armónicos".

Corriente de Magnetización Inicial.


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Forma de prevenir la operación de la protección del transformador por la corriente de magnetización inicial.

Figura (c)


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Protección con relé diferencial de porcentaje. Para evitar el disparo por fallas externas

debido al desajuste de corrientes secundarias de los TC's o por cambio de relación de transformación con tomas se utilizan bobinas de restric ción en el relé diferencial.

La cantidad de restricción se define como el porcentaje de la corriente requerida por el devanado de operación para vencer el torque de restricción y se denomina pendiente como se trató en el capítulo tercero.

La pendiente requerida puede variar del 10 al 50% dependiendo del rango.


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FALLA ENTRE ESPIRAS

La falla entre espiras, origina una corriente circulante por la trayectoria cerrada formada por el corto, ésta corriente es proporcionalmente mas al ta entre menos espiras estén involucradas .


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PROTECCIÓN CON RELÉS ACTUADOS POR GASES

Composición.Los gases generados en el aceite de un

transformador pueden corresponder a fallas ocurridas en el devanado.

Los gases aparecen por los siguientes procesos:Disolución del aire u otros gases que se ponen en

contac to con el aceite o se filtran dentro del tanque.

Liberación de hidrógeno del agua por oxidación del hierro.

Pirolisis del hidrocarburo (o aceite). Pirolisis del la celulosa (aislante).Estos cambios se pueden aprovechar para proteger,

el transformador mediante analizadores de gas.


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Relé BuchholzEs un relé situado en el canal de conducción de los

gases hacia el conservador colocado en la parte superior de algunos transformadores. El relé consta de dos interruptores de mercurio. Uno cierra el contacto por la acumulación de gases en el relé, consecuencia de algún corto entre espiras o alguna sobrecarga pesada mantenida; el otro actúa por el caudal con que pasan los gases hacia el conservador como sucede en condiciones de corto circuito. El primero acciona una alarma mientras el segundo actúa el interruptor.


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RELÉS DE TEMPERATURAS 0 TÉRMICOS. Para detectar las altas temperaturas en el aceite y los

efectos de calentamiento de la corriente de carga sobre el devanado, se usa el relé con elemento termostático sumergido en el aceite del transformador, que lleva una corriente proporcio nal a la corriente de carga. La forma de lograrlo es ubicando el indicador de temperatura en una bolsa de aceite, e introducir allí una resistencia que varía con la temperatura (RTD) con un TC ubicado en el embobinado (49). Esta bolsa es una réplica térmica del devanado y se coloca aproximadamente 25 cms por debajo del tope del tanque, donde se supone se encuentra la parte más caliente del aceite. Esta replica tiene como función medir la temperatura del transformador, desconectándolo si es muy alta ya que acciona un contacto.

Primera Etapa: Accionar ventiladores Segunda Etapa: Señalización de alarma Tercera Etapa: Abrir el interruptor.


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FIJACIÓN DE UN RELÉ DIFERENCIAL

Dado el transformador trifásico , seleccione los transformadores de corriente y ajuste los relés diferenciales. Se tienen instalados relés STD, General Electri

3000 KVA Autoenfriado 3750 KVA Enfriado por aire forzado A: Alta tensión B: Baja tensión


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1. CONEXIÓN DE LOS TC’s

BAJA TENSION ALTA TENSION

1.1 Los TC’s se conectan de acuerdo con la regla dada en la tabla 5.3

2. Chequeo de la relación de los TC’s

2.1 Máxima corriente de línea ( Ip máx.)

lineaKV

KVAIp transf

3max max A88.156

8.13*3

3750 A68.19

110*3

3750

APENDICE


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2.2 Corriente de Línea de plena carga nominal(100% Ip máx.) Para potencia nominal.

2.3 Para incrementar la sensibilidad se selecciona las relaciones de los TC’s tan cerca a Ip como sea posible.

2.4 Cálculo de las corrientes secundarias Is de los TC’s

lineaKV

KVAIp transfdel

3 A51.125

8.13*3

3000 A75.15

110*3

3000

405

200n 10

5

50n

n

II ps AI s 92.3

40

88.156 AI s 97.1

10

58.19

APENDICE


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2.5 Cálculo de las corrientes en el relé

2.6 Cálculo de la relación de corrientes en el relé

3. CHEQUEO DE PORCENTAJE DE AJUSTE DE CORRIENTE.

3.1 Utilizando relés tipo STD General Electric cuyos taps son: 2.9; 3.2; 3.8; 4.2; 4.6; 5.0; 8.7. Estos taps son comunes a los relés citados.

AI rB 92.3A

xI rB41.3

397.1

41.3

92.3

rA

rB

I

I15.1

APENDICE


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3.2 Se deben seleccionar los Taps tales que su relación sea la mas cercana a la relación de corrientes secundarias del paso 2.6

Tap lado de baja (∆) = TBTap lado de alta (Y) = TA

TB=5

TA=4.2

3.3 Calculo del porcentaje de desajuste M

S= Es el mas pequeño de los dos términos.

El valor anterior esta dentro del 15% de error limite de ajuste. s

TATB

II

M rA

rB

TA

TBo

I

I

rA

rB

%48.3

%10015.1

19.115.1

%1002.4

5

41.3

92.3

xM

xs

M

APENDICE


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4. DETERMINACIÓN DEL “BURDEN” DE CADA TC.Para determinar el burden se usan las siguientes expresiones Donde:B = carga total ofrecida por el relé.n = Relación de espiras en el TC.e = Resistencia por espira del TC a la máxima temperatura esperada.

Para TC’s conectados en: Y Utilizando un Relé ATD

TA= 4.2 (lado Y)B = 0.112n = 10e = 4.0f = 50 mSe asume una:R=0.284Lado de baja tensión (∆) (TC’s en Y)

Para TC’s conectados en: ∆ Utilizando un Relé ATDTB = 5 (lado ∆)B = 0.088n = 40e = 2.6f = 31 mSe asume una:R=0.284Lado de baja tensión (Y) (TC’s en ∆)

APENDICE


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f = Resistencia del TC por cable, m (a la máxima temperatura esperada)R = Resistencia en una vía del cable de control (a la máxima temperatura esperada)

4.1 DETERMINACION DE LA CORRIENTE SECUNDARIA DEL TC PARA 8 VECES EL AJUSTE DEL TAP.Is = 8*nominal del tap del relé

40 33.6

284.021000

31*26.2*40088.0

Zt

822.0Zt

284.021000

504*10112.0*2

Zt

932.0Zt

APENDICE


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4.2 Cálculo del voltaje secundario en el TC requerido a 8 veces el ajuste del tap

32.88 31.32

4.3 De la curva de excitación del tap particular del TC que se está utilizando se determina la corriente de excitación Ie , correspondiente a este voltaje secundario, Esec

ZtIsE *sec

APENDICE


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4.4 Determinación del error porcentual

Este error no debe exceder el 20% para ningún TC, si esto ocurre se escoge un tap mas alto en TC (mayor relación).

Is

Ieerror

100*%

APENDICE




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