AZCAPOTZALCO DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ENERGÍA LICENCIATURA EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
SISTEMAS DE POTENCIA III
CAPÍTULO X.
PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES
DR. VICENTE AYALA AHUMADA.
En esta sección se presentan los esquemas básicos de protección de uso más común y recomendados para la protección de transformadores tipo distribución y de potencia, así como la metodología empleada para definir las especificaciones y los ajustes de las protecciones eléctricas.
Clasificación de transformadores por su capacidad. Transformadores de distribución1 : autoenfriados en líquido aislante, monofásicos hasta 167 kVA y trifásicos hasta 500 kVA, y tensión de operación en sistemas hasta 34.5 kV, utilizados en redes aéreas y subterráneas. Transformadores de Potencia2 : Transformadores sumergidos en líquido refrigerante, servicio intemperie o interior, autoenfriados o con enfriamiento forzado, monofásicos y trifásicos, mayores de 500 kVA.
Esquema básico de protección. Al igual que en el caso de la protección de motores, cuando se habla de un esquema básico de protecciones, se debe entender como la recomendación de un conjunto de dispositivos, para cumplir con los requisitos mínimos que establecen las normas y reglamentos en sus artículos referentes a la protección contra fallas eléctricas típicas en transformadores.
Esquemas básicos de protección para transformadores. El transformador es una máquina que falla poco en comparación con otros elementos de un sistema eléctrico. Sin embargo, requiere de cuidados y atención, aunque puede decirse que son mínimos ya que se trata de una máquina "estática" dado que no tiene partes en movimiento. Cuando falla, lo hace en forma aparatosa y grave, algunas veces puede provocar incendios, de aquí la necesidad de contar con esquemas básicos de protección adecuados.
Tipos de fallas en transformadores. En un transformador existe la posibilidad de que se presenten tres tipos de condiciones anormales:
1) Fallas internas. a. Incipientes. Este tipo de fallas en su etapa inicial no representan peligro, pero pueden degenerarse y traer repercusiones graves si no se desconectan rápidamente. Algunos ejemplos son: conexiones defectuosas en los devanados que producen arqueos o calentamientos localizados, deterioro del aislamiento debido a calentamiento por fallas en el sistema de enfriamiento, etc.
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NMX-J-525 ANCE-2000. Transformadores de Distribución Reparados. Normas mexicanas ANCE. CONANCE. NMX-J-284-1998-ANCE. Transformadores de Potencia. Normas mexicanas ANCE. CONANCE.
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b. Severas. A este grupo pertenece la falla de cortocircuito, pudiendo ser franco (impedancia cero) o por arqueo. Las fallas típicas por arqueo frecuentemente se establecen entre: Un devanado y el núcleo o el tanque. Devanados de diferentes fases o espiras contiguas de capas diferentes. En los contactos de los cambiadores de derivaciones generando calentamientos localizados o cortocircuito entre derivaciones.
2) Sobrecalentamiento excesivo por sobrecargas sostenidas.
Esta condición es más o menos común en transformadores de distribución tipo poste y pedestal, donde la demanda suele rebasar la capacidad del transformador, pero también en algunos casos de industrias en las que ha crecido su carga y no ha sido actualizada la capacidad de la subestación. Tales condiciones resultan por demás indeseables.
3) Sobrecalentamiento excesivo y esfuerzos mecánicos por fallas externas.
Por ejemplo: cortocircuitos en el sistema que alimenta el transformador, y que son observados por éste como una condición de sobrecarga severa. Sobretensiones, siendo las de origen atmosférico las más peligrosas por su magnitud.
La estadística de incidencia de fallas típicas, así como las consecuencias que en el equipo y/o servicio provocan, han planteado la necesidad de establecer esquemas básicos para su aplicación. Ahora se presentarán algunos de los más utilizados en transformadores conectados directamente a líneas o a barras que alimentan sistemas de distribución o cargas. El transformador conectado directamente a un generador en "esquema unitario" o "bloque", se analizara en el capítulo correspondiente a la protección del generador.
Esquemas básicos de protección para transformadores. Transformador instalado en una subestación industrial típica. En este caso frecuentemente se utiliza el esquema básico de protección llamado sistema "FUSIBLE-INTERRUPTOR". Las figuras X.1(a y b) indican los dispositivos que integran este tipo de esquema (hasta 34.5 kV en el devanado primario, y 480 ó 220 volts en el secundario). Las características de los dispositivos empleados son las que indican a continuación.
Dispositivos: Número
Dispositivo Interruptor termomagnético en caja moldeada. Protege al devanado de baja tensión, contra la falla de sobrecarga con el elemento térmico y contra la falla de cortocircuito con el magnético.
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Interruptor electromagnético con contactos en aire o en vacío. Cuenta con una unidad de disparo y funciones similares al dispositivo 1, aunque también suele instalársele la unidad contra fallas a tierra. Fusible de potencia limitador de corriente, protección contra cortocircuito del devanado primario (mediana tensión).
Transformador con menos de 12 MVA. Sistema "FUSIBLE-RELEVADOR". La figura 2 indica los dispositivos que integran el esquema "FUSIBLE-RELEVADOR". Las subestaciones que emplean este sistema de protección son aquellas en las cuales el transformador tiene una capacidad menor de 12000 KVA y no se justifica económicamente el empleo de un interruptor de potencia en el lado de mayor tensión. Número Tipo Relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo para proteger al 51 transformador de sobrecargas sostenidas evitando que operen los fusibles de potencia de la protección del primario (dispositivo 3) y respaldo a la operación de los elevadores de sobrecorriente de fase (51) del alimentador primario que alimenta el propio transformador. Relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo, dispositivo para la protección de fallas a tierra en el devanado de menor voltaje. Relevador de nivel de liquido refrigerante, dispositivo que indica la falta de aceite en el tanque Relevador de presión. (*)
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Relevador térmico de líquido. (*)
49
Relevador térmico de devanado. (*) Fusibles de potencia como protección del devanado de mayor tensión
(*) En algunos casos los dispositivos 49 y 63P se sustituyen por un dispositivo desfogue tipo "cuello de ganso" obturado por un vidrio que se rompe a una presión crítica, permitiendo la salida de gases producidos por falla interna. Ocasionalmente se tienen transformadores de potencia que cuentan con tanque conservador de presión y tienen instalado también el relevador de flujo y de presencia gases llamado Buchholz.
Transformador con más de 12 MVA. Sistema "relevador-relevador". Este esquema se emplea en transformadores con más de 12 MVA, aunque suele aplicarse en transformadores con 7.5 MVA. La figura 3 indica los componentes que lo integran.
Dispositivo:
Númer o 51
51N
Ti po Relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo para proteger al transformador de sobrecargas sostenidas, como respaldo al dispositivo 87 en la protección de cortocircuito y al sistema de protección contra sobrecorriente de alimentadores enlazados al secundario del transformador Relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo, dispositivo para la protección de fallas a tierra en el devanado de menor voltaje conectado en estrella aterrizada
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87
63P
Relevador diferencial de porcentaje variable, con unidad de restricción de armónicas, dispositivo para la “protección primaria” contra cortocircuito. Suelen instalarse dispositivos 50 en los devanados primario y/o secundario a manera de “protección de respaldo” Relevador de nivel de liquido refrigerante, dispositivo que indica la falta de aceite en el tanque Relevador de presión. (*) Relevador Bochholz de flujo y presencia de gases. (*)
63T
Relevador térmico de líquido. (**)
86
49
Relevador auxiliar, dispositivo para secuencia de disparo de los interruptores de potencia y señales de alarma Relevador térmico de devanado (**)
(*) Estos dispositivos disparan el interruptor de más alta tensión para desenergizar al transformador. Además, los dispositivos 63T y 71Q suelen tener un arreglo de detección de condiciones anormales leves o severas. El primer paso se utiliza para enviar una señal de alarma y el segundo como se mencionó, para iniciar una desconexión. (**) Estos dispositivos disparan una señal de alarma para que se tomen medidas correctivas. El relevador 49 también se utiliza para controlar en forma automática la operación por pasos del sistema de ventilación forzada.
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Metodología para definir las especificaciones y ajustes de los dispositivos de protección contra sobrecarga y cortocircuito en transformadores. Pasos a seguir: 1. Definir y trazar en una hoja "log-log" la zona de operación normal del transformador. 2. Obtener y trazar en la misma hoja "log-log", la zona o curva de daño del transformador. 3. Determinar y localizar los límites de ajuste máximo normalizados para los dispositivos de protección de sobrecarga (límites NEC). 4. Seleccionar, ajustar y vaciar las curvas características de respuesta de los dispositivos de protección.
1) Zona de operación normal del transformador. Para definir y trazar esta zona se requiere de la siguiente información específica del transformador: Corriente de plena carga (Ipc). Capacidad o corriente máxima de sobrecarga (Isc máx.). Característica de magnetización (Punto "inrush").
Corriente de plena carga (Ipc). Es la corriente máxima que el transformador puede entregar a partir de su capacidad nominal, se determina con la siguiente expresión: I PC =
KVA
3 * KV
Donde: KVA = Capacidad nominal. KV = Voltaje nominal entre fases.
Capacidad o corriente máxima de sobrecarga (Isc). Es la corriente máxima que el transformador puede entregar en forma sostenida sin deteriorarse, y depende del tipo de sistema de enfriamiento, y de la característica de elevación máxima de temperatura que permite la clase de aislamiento empleado en la construcción de la máquina. Se determina a partir de la siguiente expresión: Donde:
Fsc=FENF*FTEMP
Fsc=Factor de sobrecarga máxima total. FENF=Factor de sobrecarga por tipo de enfriamiento. FTEMP=Factor de sobrecarga por elevación de temperatura máxima por clase de aislamiento.
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(*) Indica que ambos factores se obtienen de la tabla I. TI PO DE TRANSFORMADOR
SECO
CENTRO DE CARGA
SUBESTACI ÓN PRI MARI A
CAPACI DAD ENFRI AMI ENTO TEMPERATURA KVA TI PO FACTOR ELEVACI ÓN FACTOR ( FENF) (ºC) ( FTEMP) AA 1. 00 150 1. 00 ≤ 2500 FA 1. 30 OA 1. 00 55/ 65 1. 12 ≤ 2500 65 1. 00 > 500 FA 1. 00 55/ 65 1. 12 65 1. 00 > 500 FA 1. 15 55/ 65 1. 12 65 1. 00 ≤ 2000 >2000 FA 1. 25 55/ 65 1. 12 65 1. 00 ≤ 2500 OA 1. 00 55/ 65 1. 12 55 1. 00 FA 1. 33 55/ 65 1. 12 55 1. 00 FOA 1. 67 55/ 65 1. 12 55 1. 00
TABLA I Capacidad de sobrecarga en transformadores. Característica de magnetización (punto "INRUSH"). Se refiere a la etapa de magnetización de la máquina, en la cual el transformador demanda de la línea, durante 0.1 seg., un valor de corriente que es múltiplo de la Ipc el cual depende de los KVA, y se define por lo que se llama el punto "inrush". Se obtiene a partir de las coordenadas (IINRUSH, tINRUSH). Donde:tINRUSH =0.1 s para cualquier capacidad. IINRUSH =I pc*FINRUSH Siendo FINRUSH el factor "inrush" o de corriente de magnetización, el cual se obtiene de la tabla II. POTENCIA (kVA)
FINRUSH
Menos de 1500 1500 a 3750 Mayor a 3750
8.0 10.0 12.0
TABLA II Factor “insrush”.
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2) Zona de daño del transformador. Está queda definida por lo que se llama la "curva de daño" de la máquina, la cual se debe obtener y trazar a partir del siguiente procedimiento:
2a) Primero, se clasifica el transformador por categorías a partir de su capacidad y número de fases. Para esto se utiliza la tabla III:
CATEGORÍA I II III IV
CAPACIDAD EN kVA MONOFÁSICO TRIFÁSICO 5 a 500 15 a 500 501 a 1667 501 a 5000 1668 a 10000 5001 a 30000 más de 10000 más de 30000
TABLA III Clasificación de transformadores por categorías según su capacidad y número de fases. 2b) Ahora se procede a determinar el factor por tipo de conexión de los devanados de alta y baja tensión del transformador, también conocido como "Factor ANSI" (FANSI), obteniéndose de la tabla IV. ALTA
BAJA
FANSI
DELTA DELTA ESTRELLA-A ESTRELLA-A ESTRELLA ESTRELLA ESTRELLA ESTRELLA-A ESTRELLA
DELTA ESTRELLA-A(*) ESTRELLA ESTRELLA ESTRELLA-A ESTRELLA-A núcleo ESTRELLA DELTA DELTA
0.87 0.58 1.0 1.00 1.00 0.57 1.00 1.00 1.00
(*) ESTRELLA ATERRIZADA
TABLA IV Factor ANSI por tipo de conexión de los devanados. 2c) Se calculan las coordenadas de los puntos con los que se traza la curva de daño, utilizando las expresiones de la tabla V:
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TABLA V Puntos (I, t) para construir la curva de daño de transformadores. PUNTO CATEGORÍA 1 2 3 4
I II III y IV II III y IV II III y IV
TIEMPO (s) 1250*(ZT)2 2 2 4.08 8.0 2251*(ZT)2 5000*(ZT + ZS)2
Corriente (A) FANSI*IPC/ZT FANSI*IPC/ZT FANSI*IPC/(ZT + ZS) 0.7*FANSI*IPC/ZT 0.5*FANSI*IPC/ZT 0.7*FANSI* IPC /ZT 0.5*FANSI*IPC/ZT
I, II, III y IV
50
5* FANSI*IPC
Donde: IPC = Corriente de plena carga expresada en amperes y calculada a partir de los KVA mínimos del transformador. ZT = Impedancia del transformador expresada en pu (valor por unidad) referido a los KVA mínimos del propio transformador. ZS = Impedancia equivalente de Thevenin del sistema expresada en pu referida a los KVA mínimos del transformador y calculada a partir de la siguiente expresión: ⎛ KVAT ⎞ ⎟⎟ KVA S ⎠ ⎝
Z S = Z S 2 * ⎜⎜
Siendo: ZS2 = Impedancia del sistema referida a sus propias bases y expresado en p.u. KVAT = KVA mínimos del transformador. KVAS = KVA del sistema.
3) Límites normalizados de ajuste máximo para los dispositivos de protección de sobrecorriente de los devanados primario y secundario. Se les conoce con el nombre de "límites NEC" por estar regidos por el National Electric Code (NEC) de los Estados Unidos de Norte América. Están contenidos en la tabla VI, se expresan en % de la corriente de plena carga a los KVA máximos de la máquina, y se definen a partir de los siguientes parámetros del transformador por proteger: Impedancia expresada en %. Voltaje nominal de los devanados primario y secundario. Tipo de dispositivo de protección de sobrecorriente a usar en cada uno de los devanados.
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PRIMARIO
SECUNDARIO
600 V. ó menos. Arriba de 600 V. Impedancia del Voltaje Ajuste del Capacidad Ajuste del Capacidad Ajuste del transformador (%Z) (volts) interruptor del fusible interruptor del fusible interruptor % (1) (%) (1) % (1) (%) (1) ó fusible % (1) Todas Arriba de 300 250 Ninguna Ninguna Ninguna Z %≤ 6 600 V. 600 300 300 250 125 6< Z %≤10 400 300 250 225 125 Todas 600 V. ó 125 125 ---------- Ninguna Z % ≤ 6 menos. 250 250 ----------125 6< Z %≤10 600 600 ----------(2) + 400 400 ----------(2) + Fuente: NEC (1999). Tabla 450-3(a) p. 70-291. Notas: 1. % IPC de máxima capacidad. 2. + protección térmica de sobrecarga coordinada.
Así se tiene que existen: El límite NEC para el primario El límite NEC para el secundario
(I NEC primario; 1000 seg.) (I NEC secundario; 1000 seg.)
4) Selección, ajuste y vaciado de las curvas características de respuesta de los dispositivos de protección contra sobrecorriente. 4a) Selección de dispositivos de protección. Las características de los dispositivos de protección por sobrecorriente se establecen con base a las especificaciones del transformador por proteger, esquema básico de protecciones. 4b) Selección del ajuste de los dispositivos de protección. Aquí solo se describirán aspectos generales, ya que los puntos específicos dependen del tipo de dispositivo de protección empleado, teniendo cada uno de ellos (los dispositivos de protección) tratamientos particulares, mismos que se describen en los ejemplos que se presentaran más adelante. Protección del devanado primario. El ajuste del dispositivo debe permitir que el transformador se energice y entregue su corriente nominal o de plena carga, de tal suerte que la respuesta del dispositivo de protección para un tiempo de 1000 segundos, valor máximo de la escala de tiempo de la hoja "log-log", quede ubicada, dentro de lo posible, entre la corriente de plena carga y la corriente máxima de sobrecarga permitida por los tipos de enfriamiento y aislamiento empleado en la construcción del transformador, observando en todos los casos que no se rebase el "Límite NEC" correspondiente. Todo lo anterior se debe conseguir, quedando ubicada la curva característica de respuesta del dispositivo de protección a la izquierda de la "Curva de daño" del transformador. Con lo
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anterior se garantiza que la protección por sobrecarga opere correctamente. Para la protección por cortocircuito se debe observar que la magnitud de corriente de este tipo de falla al nivel de voltaje del devanado correspondiente, nunca quede a la izquierda de la característica de disparo mínimo del dispositivo de protección, esto asegura el disparo para esta falla.
Protección del devanado secundario. Se deben observar las mismas recomendaciones que para el devanado primario, excepto que en este caso el punto "inrush" no es estrictamente necesario que quede ubicado a la izquierda de la curva característica de respuesta del dispositivo de protección, esto debido a que salvo excepciones, en la generalidad de los casos un transformador se conecta sin carga al sistema de alimentación. En resumen los criterios generales para definir la sensibilidad para la protección de sobrecarga en ambos devanados son los siguientes:
I pc < I disparo mínimo de la protección de sobrecarga ≤ I NEC ó I pc < I disparo mínimo de la protección de sobrecarga ≤ ISC Siempre y cuando ISC < I NEC
Icc < I disparo mínimo de la protección de cortocircuito
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