3.7_protecciones_transformadores.pdf

EL TRANSFORMADOR DE POTENCIA .

• La función del transformador de potencia es adaptar los niveles de tensión para los diferentes procesos que se tienen en el sistema eléctrico: generación, transmisión, distribución y uso. • Normalmente son sumergidos en aceite, aunque los transformadores de baja potencia (< 2 MVA) y uso interior pueden ser de tipo seco.

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IMPEDANCIA La impedancia es un factor determinante en el transformador. Para los transformadores de dos devanados se tiene una impedancia y para transformadores de tres devanados, se tienen tres impedancias. El valor de la impedancia depende de la potencia del transformador, normalmente la impedancia en por unidad aumenta con la potencia. Existen unos valores típicos de impedancia, sin embargo, ésta puede variar dependiendo de las características constructivas.

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IMPEDANCIA

.

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GRUPOS DE CONEXIÓN

En los transformadores trifásicos se pueden tener conexiones en delta o estrella. Además, dependiendo de la forma como se conectan entre sí los devanados de las tres fases de cada uno de los lados (primario, secundario, terciario, etc), se tienen los llamados grupos horarios. Los grupos horarios determinan el ángulo desfase que existirá entre las fases A, B y C del primario con las fases A, B, y C del secundario.

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GRUPOS DE CONEXIÓN

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GRUPOS DE CONEXIÓN

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GRUPOS DE CONEXIÓN

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GRUPOS DE CONEXIÓN

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GRUPOS DE CONEXIÓN

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GRUPOS DE CONEXIÓN

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TIPOS DE REFRIGERACIÓN Medio de enfriamiento interno en contacto con los devanados

Mecanismo de circulación para el medio de enfriamiento interno

Medio de enfriamiento exterior

O: aceite mineral o aislamiento sintético con temperatura de inflamación <300°C K: líquido aislante con temperatura de inflamación >300°C L: líquido aislante con temperatura de inflamación no medible

N: flujo por convección natural a través del equipo de refrigeración y de los devanados F: circulación forzada a través del equipo de refrigeración y flujo por convección natural en los devanados D: circulación forzada a través del equipo de refrigeración, dirigida del equipo de refrigeración hacia al menos los devanados principales

A: aire W: agua

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Mecanismo de circulación para el medio de enfriamiento externo N: flujo por convección natural F: circulación forzada

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CORRIENTE DE MAGNETIZACIÓN

Esta corriente es la que se requiere para producir el flujo en el núcleo del transformador que induzca la fuerza electromotriz en los devanados. Debido a la relación no lineal entre el campo magnético y la inducción magnética, para generar una tensión sinusoidal en los devanados, se requiere de una corriente de excitación no sinusoidal pura o con contenido de armónicos.

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CORRIENTE DE MAGNETIZACIÓN

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CORRIENTE DE MAGNETIZACIÓN

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CORRIENTE SOBREEXCITACIÓN Esta corriente se debe a un aumento de la tensión que ocasiona la saturación del núcleo. Cuando esto sucede, tensión inducida en los devanados se hace muy diferente de la tensión de la fuente y aparece una corriente adicional por la rama de magnetización. Ésta corriente puede aparecer durante rechazos de carga o sobreexcitación en generadores o apertura de circuitos que generen sobretensiones por exceso de reactivos.

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CORRIENTE SOBREEXCITACIÓN 3500 [A] 2625 1750 875 0 -875 -1750 -2625 -3500 0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

[s]

0.10

(file Histeresis.pl4; x-var t) c:FUENTA-TRAFO

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CORRIENTE INRUSH

La corriente inrush del transformador depende de: • El punto de la onda de tensión donde se energiza el transformador. • El flujo residual en el núcleo del transformador. • El flujo de saturación del transformador.

• La impedancia del circuito a través del cual fluye la corriente inrush.

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CORRIENTE INRUSH [A]

780

560

340

120

-100 0.00 factors: offsets:

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0.05

0.10

0.15

0.20

[s]

0.25

1 0,00E+00

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SOPORTABILIDAD Para la protección de los transformadores es indispensable conocer cual es su soportabilidad ante las condiciones de sobrecarga y cortocircuito. Ésta soportabilidad involucra dos aspectos: • Calentamiento: que se presenta durante la sobrecarga y el cortocircuito debido al calentamiento de los conductores por efecto joule. En algunas aplicaciones se puede presentar sobrecarga por aumento de las pérdidas en el núcleo, principalmente cuando por el transformador circulan corrientes armónicas de valor considerable. • Esfuerzo mecánico: es considerable durante las condiciones de cortocircuito.

De acuerdo con la normas IEC 60076-5 y ANSI C57.12.00, la soportabilidad de un transformador depende de la categoría. 27/11/2018

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SOPORTABILIDAD ANSI C57.12.00

Para los transformadores categoría I, la soportabilidad de cortocircuito está dad por:

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SOPORTABILIDAD ANSI C57.12.00 Para los transformadores categorías II, III y IV, se considera una duración máxima de 2 segundos. La magnitud de corriente que debe soportar el transformador es: • Para la categoría II, la magnitud de la corriente de cortocircuito que soporta el transformador debe ser teniendo en cuenta sólo la impedancia del transformador. • Para los transformadores categorías III y IV se debe especificar la impedancia del sistema para tenerla en cuenta en la soportabilidad de cortocircuito.

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CURVA DE DAÑO CATEGORÍA I

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SOPORTABILIDAD IEC 60076-5

La soportabilidad de cortocircuito está dada por la corriente máxima de cortocircuito esperada. El transformador debe soportar el cortocircuito durante 2 segundos, salvo que se especifique otro tiempo.

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FALLAS EN TRANSFORMADORES Los transformadores pueden tener daños que afecten: • El aislamiento • El sistema de soporte mecánico de la parte activa • El tanque • El circuito electromagnético: devanados, núcleo, pantallas magnéticas, etc. • Los conductores Las causas de éstos daños son: • Sobretensiones de frecuencia industrial, de suicheo o tipo rayo • Sobrecalentamiento por sobrecarga en los devanados o sobrecalentamiento del núcleo (armónicos) • Cortocircuitos externos • Deterioro del aislamiento por envejecimiento o por contaminación (humedad) • Defectos de fabricación • Contacto deficiente o falta de continuidad en las conexiones 27/11/2018

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PROTECCIONES DE TRANSFORMADORES ESQUEMA DE PROTECCIONES

PROTECCIÓN DIFERENCIAL

Ajuste PendienteIdiff

Angulo de compensación

SOBRECORRIENTE

PROTECCIONES ADICIONALES

51/51N

Devanados principales y terciario

I>, Io>,

SOBRETENSIÓN

Curva, Dial SOBREFLUJ0

Trafo de puesta a tierra

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MECÁNICAS: BUCHHOLZ, SOBREPRESIÓN, TEMPERATURA

I>. Io>, Curva, Dial

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UNIFILAR DE PROTECCIONES

FUENTE

3I > FI

>

I> In >

>

B >

49 : Relé térmico 49D: Relé sobretemperatura del aceite

63 : Relé de presión

63B : Relé Buchholz: Presencia de gases en aceite

Id > D

I> In >

>

63D : Relé de flujo de aceite; detecta superación del flujo de aceite en tubería

>

63P : Relé Presión Subita: Detecta incremento súbito de la presión del tanque

>

63Q : Alivio de presión: dispositivo mecánico que permite salida del aceite cuando la sobrepresión dentro del tanque supera valor

P

Q 3I > FI

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PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE Sobrecorriente de fases lado de baja

Criterio

Corriente de arranque

125 % de la corriente nominal del transformador

Tipo de curva

IEC normalmente inversa

Valor de la curva

Se selecciona para que opere a 4 veces la corriente de arranque de la protección del mayor alimentador con un tiempo de 1 s más que dicha protección (típicamente 1,9 s).

Tiempo definido

Corriente de arranque: 50 % de la corriente de falla trifásica Tiempo de operación: 500 ms

Sobrecorriente de tierra lado de baja

Criterio

Corriente de arranque

20 % de la corriente nominal del transformador

Tipo de curva

IEC normalmente inversa

Valor de la curva

Se selecciona para que opere a 4 veces la corriente de arranque de tierra de la protección del mayor alimentador con un tiempo de 1 s más dicha protección (típicamente 2,2 s).

Tiempo definido

Corriente de arranque: 50 % de la corriente de falla monofásica Tiempo de operación: 500 ms

Sobrecorriente de fases lado de alta

Criterio

Corriente de arranque

125 % de la corriente nominal del transformador

Tipo de curva

IEC normalmente inversa

Valor de la curva

Se selecciona para que opere al aporte de cortocircuito monofásico o trifásico (el mayor de los dos, teniendo en cuenta el grupo de conexión para la falla monofásica) en el secundario, con un tiempo de 0,3 s más que la protección del lado de baja.

Instantáneo

Corriente de arranque: 125 % del aporte subtransitorio asimétrico al cortocircuito monofásico o trifásico (el mayor de los dos) en el lado de baja.

Sobrecorriente de tierra lado de alta

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Criterio

Corriente de arranque

20 % de la corriente nominal del transformador

Tipo de curva

IEC normalmente inversa

Valor de la curva

Se selecciona para que opere al aporte de cortocircuito monofásico en el secundario, teniendo en cuenta el grupo de conexión, con un tiempo de 0,3 s más que la protección del lado de baja.

Instantáneo

Corriente de arranque: 125 % del aporte subtransitorio asimétrico al cortocircuito monofásico en el lado de baja.

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PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE FUENTE

3I > FI

AJUSTE RELÉ DE SOBRECORRIENTE

O/C DE FASES

I R = 125-130 % I Nom Trafo

O/C DE TIERRA

IR =

20-40 % I Nom Trafo

I> In >

DEMANDA MÁXIMA Id >

I> In >

Fallas 2 f, en todos los niveles de tensión

Fallas 1 f francas y de alta impedancia (30 W ó 50 W ) en todos los niveles de tensión

3I > FI

Con base en las magnitudes obtenidas, se elige el arranque y el dial, de manera que las protecciones actúen de forma selectiva y mantengan sensibilidad

No es recomendable el uso de sobrecorriente instantáneas!!!

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL - 87T El relé diferencial de corriente es el tipo de protección usada más comúnmente para transformadores de 10 MVA en adelante. Apropiada para detectar las fallas que se producen tanto en el interior del transformador como en sus conexiones externas hasta los transformadores de corriente asociados con esta protección. Conexión corta (CT’s de bujes) y larga (CT’s de campo)

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL Ésta es una protección que dispone de una restricción para evitar disparos indeseados ante fallas externas debido a la disparidad en los transformadores de corriente.

La restricción permite incrementar la velocidad y seguridad de la protección con una sensibilidad razonable para corrientes de falla bajas y al mismo tiempo, se pueden obtener beneficios en caso de errores de saturación. Estos relés son aplicables particularmente a transformadores de tamaño moderado localizados a alguna distancia de la fuente de generación mayor.

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL La cantidad de restricción es establecida como un porcentaje entre la corriente de operación (Idiferencial) y la corriente de restricción (Ibias). Cada fabricante usa una definición ligeramente diferente para la pendiente y la cantidad de restricción puede ser fija, ajustable o variable dependiendo del fabricante. Es de anotar que un relé diferencial porcentual simple puede operar incorrectamente con corrientes “inrush”. En estos relés la característica porcentual puede variar del 5% al 50% o más de valores de corriente. Esta característica es muy sensible a fallas internas e insensible corriente erróneas durante fallas externas. Se utilizan transformadores de corriente con características idénticas y es preferible no conectar otros relés u otros aparatos en estos circuitos de corriente.

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL El relé diferencial mide la diferencia entre dos magnitudes eléctricas y la compara con un umbral de operación. El principio de funcionamiento de un elemento diferencial se ilustra en la siguiente figura. Flujo Salida Fs

Flujo Entrada Fe

Fe - Fe = 0 No hay escape de flujo

Flujo Salida Fs

Flujo Entrada Fe

Fe - Fs > 0 Hay escape de flujo

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL En la siguiente figura se muestra el flujo de corrientes cuando se presenta una falla externa al equipo protegido, en este caso las corrientes a la entrada y a la salida son de igual magnitud y ángulo, y no circula corriente por la bobina de operación

En la siguiente figura se muestra el flujo de corrientes cuando se presenta una falla en el equipo protegido, en este caso las corrientes a la entrada y a la salida no coinciden simultáneamente en magnitud y ángulo, generando una a través de la bobina de operación.

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL Carga nominal

138 kV

5A

100/5 100 A

Id> 1000 A

5A

1000/5 13,8 kV

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL Carga nominal y error CTs

138 kV

100/5 – 10P20 -10% de error

4,5 A

100 A

Id> 1000 A

1000/5 – 10P20 +10% de error

5,5 A

13,8 kV

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL Falla externa

138 kV

100/5 – 10P20 -10% de error

45 A

1 kA

Id> 10 kA

1000/5 – 10P20 +10% de error

55 A

13,8 kV

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL Energización

138 kV

35 A

100/5 – 10P20 700 A

Id> 0A 0A

1000/5 – 10P20 13,8 kV

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL Conexión protección diferencial porcentual transformador -  A

A C A

C

C

C A B

B

B

B

O R

ØA

R

O R

ØB

R

O R R

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BOBINA DE RESTRICCIÓN

ØC

R O

BOBINA DE OPERACIÓN

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL Protección diferencial porcentual autotransformador sin carga en la delta del terciario A C B

1

A

1 2

2 3

3

C

B

O R

ØA

R

O R

ØB

R

O R R

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BOBINA DE RESTRICCIÓN

ØC

R O

BOBINA DE OPERACIÓN

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL PORCENTUAL Protección diferencial porcentual autotransformador con carga en la delta del terciario A B C A

A A

A

B

B

A C

C

B C

B

R

C

C

B

O R

ØA

R

R

O R

ØB

R

R

O R

ØC

R R

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BOBINA DE RESTRICCIÓN

O

BOBINA DE OPERACIÓN

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PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE ALTA IMPEDANCIA • Para la protección de transformadores se pueden utilizar relés diferenciales de alta impedancia, operados por voltaje. • En este esquema se requiere que todos los transformadores de corriente tengan igual relación de transformación e iguales características de precisión. • Este arreglo provee protección contra todo tipo de fallas fase-fase y fallas a tierra, pero no provee protección para fallas entre espiras. • En el caso de que el devanado terciario en delta no tenga conectada carga, se puede conectar una esquina de la delta para que la protección diferencial pueda detectar las fallas a tierra en este devanado. •

De todas maneras, este esquema de conexión de la protección no detectará fallas entre fases o entre espiras del devanado terciario. 27/11/2018

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PROTECCIONES MECÁNICAS DE TRANSFORMADORES •

Las protecciones mecánicas se utilizan para detectar anomalías y fallas por medio de cambios físicos en los componentes del transformador.

•

La acumulación de gases o cambios de presión al interior del tanque del transformador, son buenos indicadores de fallas o perturbaciones internas.

•

En muchos casos, son más sensibles, operando a la luz de fallas internas que no sean detectadas por la diferencial u otros relés y en caso de fallas incipientes de crecimiento lento.

•

Su operación está limitada a problemas al interior del tanque del transformador, pero no ante fallas en los bujes o conexiones externas de los CT´s.

•

Estas protecciones, en general, son ajustadas por el fabricante del equipo y no requieren la intervención del usuario, ya que la modificación de los ajustes por parte del mismo conlleva a una pérdida de la garantía ante operaciones incorrectas de estos equipos. 27/11/2018

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•

RELÉ DE PRESIÓN SÚBITA Y VÁLVULA DE SOBREPRESIÓN Estos son aplicables en transformadores inmersos en aceite y están colocados en la parte superior del tanque

•

Alivian sobre presión por medio de la apertura completa de la válvula en milisengundos.

•

Dan disparo con los contactos en paralelo con el relé diferencial, aunque también pueden ser utilizados para dar solo alarma si se prefiere.

•

Un tipo de estos relés opera ante cambios imprevistos en el gas encima del aceite, otros operan ante cambios súbitos de presión del mismo aceite, que se originan durante fallas internas.

•

Este relé NO opera por presiones estáticas o cambios de presión resultantes de la operación normal del transformador, que pueden ocurrir ante cambios de carga y de temperatura.

•

El tiempo de operación del relé SPR (Sudden Pressure Relay) varía desde 0,5 hasta 37 ciclos, dependiendo de la magnitud de la falla.

•

Este relé se recomienda para todos los transformadores con capacidad superior a 5 MVA. 27/11/2018

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VÁLVULA DE SOBREPRESIÓN 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 27/11/2018

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Flanche de fijación Ranura empaque Disco Empaque Empaque Tapa Resortes Indicador de operación Caja con contactos para alarma yo disparo Palanca para reset Tornillos tapa Tornillos Buje guía indicador Purga Indicador para visualización lejana 46

RELÉ BUCHHOLZ Éste es una combinación de acumulador de gas y relé de flujo de aceite y solamente se aplica a los transformadores con tanque conservador de aceite (que actúa como una cámara de expansión) instalado en la parte superior del tanque principal. Este relé posee dos dispositivos: Una cámara de recolección de gas en la cual se acumula el gas resultante de la ruptura del aislamiento por la presencia de un arco eléctrico leve. Cuando se ha acumulado cierta cantidad de gas, el relé da una alarma. Un dispositivo que se opera por el movimiento repentino del aceite a través de la tubería de conexión cuando ocurren fallas severas, cerrando unos contactos que disparan los interruptores del transformador. 27/11/2018

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RELÉ BUCHHOLZ

El relé Buchholz y el SPR complementan la protección diferencial, dado que éstos protegen para fallas solo dentro del tanque del transformador mientras que la protección diferencial protege además, para casos de flameos en los bujes o fallas en la conexión del transformador a su interruptor y a otros aparatos del patio (si tiene conexión larga).

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RELÉ BUCHHOLZ

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RELÉ BUCHHOLZ

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RELÉ BUCHHOLZ Alarma por acumulación de gases.

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RELÉ BUCHHOLZ Disparo por pérdida de aceite.

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RELÉ BUCHHOLZ Disparo por flujo de aceite ocasionado por una onda de presión.

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DETECTORES DE NIVEL DE ACEITE Este relé origina disparo cuando el nivel de aceite no es el requerido.

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DETECTORES DE TEMPERATURA Indica temperatura de transformadores sumergidos (del aceite) o secos, tienen la posibilidad de monitor, alarma y/o disparo. Se debe tener en cuenta que usualmente solo es posible supervisar directamente las temperaturas del aceite, el medio refrigerante (aire o agua) y a veces, de los devanados de baja tensión, debido al costo enorme que representaría aislar los sensores en contacto con los devanados de alta tensión. Estos pueden consistir en termómetros o resistencias de temperatura (RTD), que se instalan en los devanados del transformador para detectar temperaturas altas que se puedan presentar por sobrecargas o por daños en el sistema de refrigeración del transformador.

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DETECTORES DE TEMPERATURA

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RELÉ DE IMAGEN TÉRMICA Detectan de manera indirecta la temperatura del devanado: Imagen térmica. Este relé determina la temperatura de los devanados con base en la corriente que circula por ellos y en la temperatura previa del aceite del transformador. Consiste de una resistencia inmersa en el aceite del transformador y que está conectada a los CT’s ubicados a la salida del transformador; el calentamiento de esta resistencia es medido con un sensor de temperatura (RTD o termocupla) para dar alarma, disparo o control del mecanismo de enfriamiento de los transformadores. Se debe tener en cuenta que este dispositivo es un mecanismo de cálculo analógico, ajustado normalmente por el fabricante del transformador, para estimar, de acuerdo con la carga, la temperatura en los puntos más calientes de los devanados, simulando al mismo tiempo la dinámica de calentamiento del transformador. 27/11/2018

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RELÉ DE IMAGEN TÉRMICA

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RELÉ DE IMAGEN TÉRMICA

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