ELECTROTECNIA
Introducción a los Transformadores
Autor: Sergio L. García, Ph.D.
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Transformadores: Principios de Operación
Máquina estática de alto rendimiento.
De naturaleza reversible (elevador/reductor).
Normalmente, empleado para modificar los valores de tensión y corriente en diferentes secciones de un circuito.
No modifica la frecuencia de los voltajes v oltajes y corrientes involucradas en la transformación. 2
Transformadores: Principios de Operación
Máquina estática de alto rendimiento.
De naturaleza reversible (elevador/reductor).
Normalmente, empleado para modificar los valores de tensión y corriente en diferentes secciones de un circuito.
No modifica la frecuencia de los voltajes v oltajes y corrientes involucradas en la transformación. 2
Transformadores: Algunas Aplicaciones
Transmisión Transmisión de energía eléctrica. Mediciones eléctricas (transformación de tensión y corriente).
Equipos medicinales.
Electrónica comercial e industrial.
Sistemas de transporte (aviación, navegación, etc.). 3
Transformadores: Limitaciones
El transformador solo puede emplearse con corriente alterna, debido a que su funcionamiento se basa en los fenómenos de autoinducción e inducción electromagnética mutua entre los bobinados primario y secundario.
Solo existe inducción electromagnética si existe una variación en la magnitud del flujo magnético con el tiempo. 4
Transformadores: Partes Componentes (1)
Compuesto por un circuito magnético y dos (o tres) circuitos eléctricos (que pueden estar aislados eléctricamente, o no).
El circuito magnético está formado por chapas de material ferromagnético (generalmente, aleación de hierro-silicio), apiladas y aisladas entre si, mediante un esmalte, para reducir las corrientes inducidas (Foucault).
Sobre el núcleo magnético, se encuentran arrollados los circuitos eléctricos primario y secundario, que poseen igual o distinto número de espiras.
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Transformadores: Partes Componentes (2)
Elementos Magnéticos
Elementos Eléctricos
Núcleos. Columnas y culatas (o yugos). Bobinado(s) primario(s). Bobinado(s) secundario(s), a veces existe un bobinado terciario.
Elementos Aislantes
Aislamiento del núcleo magnético o carrete. Aislamiento entre capas de un bobinado. Aislamiento entre bobinados. Aceite, barnices, papel y madera.
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Transformadores: Representación Esquemática Flujo Magnético Es el número total de líneas de fuerza que existen en un circuito magnético y se representa por la letra griega φ . Su unidad es el Weber.
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Transformadores: Disposición de Bobinados Los bobinados primario y secundario de cada fase se encuentran montados en una misma columna, aislados eléctricamente entre sí y con respecto a la columna metálica y a la carcaza exterior, (la cual normalmente se halla al mismo potencial eléctrico de tierra).
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Transformadores: Relación de Transformación (1)
Conservación de la potencia (o de los V.A.) entre los bobinados primario y secundario.
U1 I1 = U2 I2 De donde se obtiene la “relación de transformación, m”.
U1 I2 = m= U2 I1
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Transformadores: Relación de Transformación (2)
En transformadores elevadores U2>U1 y m<1. En transformadores reductores U21. En transformadores de relación 1:1 se tiene que U2=U1 y m=1. 10
Transformadores Recordar que un transformador es una máquina reversible, puede funcionar como elevador o como reductor. Dependiendo de cual sea el bobinado que se conecta a la fuente de alimentación, y cual se conecta a la carga o consumo. 11
Transformadores Para su correcto funcionamiento como máquina reversible, es importante hacerlo operar dentro de los límites de tensión y corriente para los cuales fue diseñado. De lo contrario, puede sufrir daños severos que lo pueden inutilizar. 12
Transformadores: Ampere-Vuelta
Los ampere-vuelta se conservan entre el primario y el secundario.
N1 I1 = N2 I2
Los ampere-vuelta también son llamados FUERZA MAGNETOMOTRIZ (FMM).
Los ampere-vuelta dan un indicio acerca de la intensidad del campo magnético, que las corrientes circulantes a través de los bobinados, generan en el transformador. 13
Transformadores: Relación de Transformación (3)
Sabiendo que tanto la potencia como los ampere-vuelta entre el primario y el secundario se conservan, la relación de transformación también se puede expresar en función de las corrientes en el primario y el secundario:
U1 I2 = m= U2 I1
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Transformadores: Relación de Transformación (4)
La “relación de transformación” también puede expresarse mediante la relación entre el número de espiras del bobinado primario y del bobinado secundario:
U1 I2 N1 = = m= U2 I1 N2 15
Transformadores: Tipos de Conexión (1)
Conexión triángulo-triángulo (Dd)
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Transformadores: Tipos de Conexión (2)
Conexión estrella-estrella (Yy)
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Transformadores: Tipos de Conexión (3)
Conexión triángulo-estrella (Dy)
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Transformadores: Tipos de Conexión (4)
Conexión estrella-triángulo (Yd)
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Transformadores: Tipos de Conexión (5)
Conexión estrella-zigzag (Yz)
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Transformadores: Conexiones más Frecuentes (1)
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Transformadores: Conexiones más Frecuentes (2)
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Transformadores de Medidas (1)
Transformadores de tensión. Transformadores de intensidad (o de corriente).
Por cuestiones de seguridad, los secundarios de estos transformadores deben estar conectados a tierra. 23
Transformadores de Medidas (2) Transformadores de intensidad Ante la necesidad de medir corrientes de gran magnitud, permiten el empleo de amperímetros de reducido tamaño, que pueden ubicarse en armarios destinados a contener dispositivos de maniobra, control, protección, etc. 24
Transformador de Intensidad: (Esquema de Conexión) El transformador de intensidad NO debe funcionar en vacío con el secundario a circuito abierto.
Por lo tanto, el secundario del transformador siempre debe estar conectado a un amperímetro, o bien en ausencia de este, se debe cortocircuitar. 25
Transformador de Tensión: (Esquema de Conexión) Permiten la medición de altos voltajes, mediante la reducción de su magnitud. Lo cual reduce los riesgos de electrocución por parte del personal encargado de su manipulación. A diferencia del transformador de intensidad, el transformador de tensión puede funcionar con el secundario abierto, el cual nunca debe cortocircuitarse.
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TRANSFORMADORES: Conexión en Paralelo
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Transformadores: (Conexión en Paralelo) Cuando la potencia demandada a un transformador alcanza el límite de su potencia nominal. Un incremento de la potencia a suministrar involucra la necesidad de: (1)agregar un nuevo transformador en paralelo al ya existente, o bien: (2)reemplar el transformador ya existente por otro de mayor potencia (lo cual es más costoso que la primera opción). 28
Transformadores: (Conexión en Paralelo)
Acoplamiento a través de los secundarios
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Transformadores: (Conexión en Paralelo)
Acoplamiento a través de los primarios
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Transformadores: (Conexión en Paralelo)
Acoplamiento a través de los primarios y secundarios
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Transformadores: (Conexión en Paralelo)
Acoplamiento de generadores a la red mediante los secundarios de transformadores.
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Transformadores: (Condiciones para la Conexión en Paralelo)
Igual frecuencia de las redes a interconectar.
Esta es una condición que deben cumplir las redes (no depende de las características propias de los transformadores a acoplar). 33
Transformadores: (Condiciones para la Conexión en Paralelo)
El desfasaje del secundario respecto del primario, debe ser igual para todos los transformadores a conectarse en paralelo. Debe existir la misma secuencia de fases secundarias.
Estas dos condiciones son de tipo eliminatorias. Si ellas no se cumplen, los transformadores NO se pueden conectar en paralelo. 34
Transformadores: (Condiciones para la Conexión en Paralelo)
Las relaciones de transformación en vacío, referidas a las tensiones de línea, deben ser iguales. Iguales tensiones porcentuales de cortocircuito. Mejor aún: Iguales caídas de tensión porcentuales de la componente resistiva y de la componente reactiva. La relación de potencias nominales de transformadores a conectar en paralelo no debe ser mayor que 3:1.
Estas condiciones son necesarias para el buen desempeño de la instalación, y admiten ciertas tolerancias. 35
Transformadores: (Condiciones para la Conexión en Paralelo)
Para equalizar la carga en los transformadores, las tensiones de cortocircuito deben ser iguales. Si la tensión de cortocircuito de los transformadores es diferente, se carga más el transformador que tiene menor tensión de cortocircuito. Si se desea acoplar dos transformadores de distinta potencia, es conveniente que el de menor potencia sea el de mayor tensión de cortocircuito ya que, de esta forma, el transformador de mayor potencia será el que tome mayor carga porcentual, lo que representa el caso más conveniente. 36
Transformadores: (Definición de Tensión de Cortocircuito)
Zcc In Ucc = 100% U1
Tensión Porcentual de Cortocircuito
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Transformadores: (Compensación de la Tensión de Cortocircuito)
Modo de compensar tensiones de cortocircuito desiguales. Se agregan reactancias de compensación al transformador con menor tensión de cortocircuito. 38
Transformadores (Componentes de la Tensión de Cortocircuito)
Caso particular en que las tensiones de cortocircuito son iguales, pero sus componentes resistivos y reactivos presentan distintas magnitudes. 39
Transformadores: (Tipo de Conexión Prohibida) Estos transformadores pertenecen a distintos grupos de conexión; por lo tanto, los desfasajes angulares que presentan los secundarios de ambos transformadores son distintos. Una conexión en paralelo de estos transformadores originaría una diferencia de potencial entre los secundarios igual al doble de la tensión nominal. Lo cual provocaría un cortocircuito severo. 40
Transformadores: (Tipo de Conexión Prohibida)
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Transformadores: (Tipo de Conexión Prohibida)
El acople en paralelo de transformadores no depende del tipo de conexión (estrella, triángulo, zigzag, etc.) sino, del índice de conexión de los transformadores a acoplar, es decir: 0; 5; 6; 11.
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Transformadores: (Definición del Indice de Conexión)
Los siguientes índices de conexión de transformadores se pueden acoplar sin inconvenientes.
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Transformadores: (Acoplamientos Permitidos)
Todos los grupos de conexión cuyo índice de conexión sea 0 (desfasaje 0o). Todos los grupos de conexión cuyo índice de conexión sea 5 (desfasaje 150o). 44
Transformadores: (Acoplamientos Permitidos)
Todos los grupos de conexión cuyo índice de conexión sea 6 (desfasaje 180o). Todos los grupos de conexión cuyo índice de conexión sea 11 (desfasaje 330o). 45
Transformadores (Acoplamientos Posibles luego de modificaciones) Es necesario modificar las conexiones internas del primario o del secundario para conectar en paralelo transformadores con los siguiente grupos:
1)0 y 6. 2)5 y 11. 46
Transformadores (Grupos de Conexión Imposibles de Acoplar) No es posible llevar adelante alguna modificación en los transformadores, que permita acoplarlos en paralelo, si ellos pertenecen a los siguientes grupos:
1) 0 y 5. 2) 0 y 11. 3) 6 y 5. 4) 6 y 11. 47
Transformadores en Vacío
Ninguna máquina, ya sea estática o dinámica, trabaja sin sufrir pérdidas de potencia. Las pérdidas en las máquinas estáticas, como los transformadores, son muy pequeñas.
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Transformadores en Vacío
Pérdidas en un Transformador • Pérdidas for corriente de Foucault (PF). • Pérdidas por histéresis (PH). • Pérdidas en el cobre del bobinado (PCU).
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Transformadores en Vacío La potencia consumida por un transformador en vacío está compuesta por la potencia perdida en el circuito magnético, y la potencia perdida en el bobinado primario (ya que el secundario se encuentra abierto). 50
Transformadores en Vacío CORRIENTES DE FOUCAULT
Para reducir las pérdidas de potencia originadas por dichas corrientes, el núcleo de hierro se lamina y las chapas se aislan entre sí para que no se establezca la circulación de corriente eléctrica a través de ellas.
PF = 2,2 .10
−11
2
(Bmáx f t )
W Kg
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Transformadores en Vacío Pérdidas por Corrientes de Foucault Para chapas de grano orientado, laminadas en frío, se estima que las pérdidas por corrientes de Foucault pueden estar en el orden de los 0,3 W/Kg a los 0,5 W/Kg. Para chapas laminadas en caliente, operando con la misma inducción magnética y la misma frecuencia, dichas pérdidas están en el orden de los 0,8 W/Kg a los 1,4 W/Kg. 52
Transformadores en Vacío
Pérdidas por Histéresis
Es un fenómeno que se produce cuando la imantación de los materiales ferromagnéticos no solo depende del valor del flujo magnético, sino también de los estados magnéticos anteriores (memoria magnética).
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Transformadores en Vacío Pérdidas por Histéresis
Fórmula de Steinmetz La pérdida de potencia por histéresis depende del tipo de material. El coeficiente de chapa (Kh) oscila entre 0,0015 y 0,003. Las pérdidas totales en el hierro están compuestas por las pérdidas por Foucault y por Histéresis.
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Lazo de Histéresis
Las pérdidas por histéresis son debidas a la fricción de los imanes moleculares al orientarse ante la presencia de un campo magnético externo.
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Lazo de Histéresis (Dominios Magnéticos)
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GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA (ALTERNADORES)
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Turbogenerador ABB de 1200 MVA
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Representación Esquemática de un Generador Sincrónico
Arrollamientos inductores (o campo inductor o excitación). Ubicados en el rotor.
Arrollamientos amortiguadores. Ubicados en el rotor.
Arrollamientos estatóricos (o armadura). Ubicados en el estator. 59
Ventajas de la Armadura Estática (1)
Es más fácil aislar un bobinado de alta tensión cuando es estacionario, debido a que no está sujeto a fuerzas centrífugas.
El estator ofrece más espacio para distribuír los bobinados de la armadura (que normalmente operan a alto voltaje).
La armadura trifásica estacionaria puede ser conectada directamente a la carga, sin la necesidad de emplear voluminosos anillos rozantes y escobillas (que requieren mucho mantenimiento, calientan, y pueden fallar). 60
Ventajas de la Armadura Estática (2)
Solo se necesitan dos anillos rozantes para proveer la excitación rotórica. Debido a que la corriente de excitación normalmente es baja, dichos anillos rozantes y escobillas son de construcción liviana.
Es posible excitar a la máquina mediante un campo magnético generado en un rotor de alta velocidad, ya que su diseño normalmente es sencillo y robusto.
La condición anterior permite altos niveles de potencia generada por una máquina de determinadas dimensiones. 61
Diagrama Esquemático del Generador Sincrónico Los polos individuales están conectados en serie, y cuando el campo es energizado por la excitatriz de c.c., los polos adyacentes presentan polaridades magnéticas opuestas.
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Arrollamientos Amortiguadores
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Corrientes de Fuga Rotóricas
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Bobinados Amortiguadores (Propósito) Amortiguar oscilaciones en el torque y la velocidad del generador, provocadas por la presencia de perturbaciones transitorias en el sistema interconectado. Por ej.: Cortocircuitos en líneas de transmisión, pérdida de líneas, desconexión o conexión de grandes cargas, etc. 65
Tipos de Rotores
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Rotores de Polos Salientes
Alternadores de baja y media velocidad (120 a 400 rpm) emplean rotores de polos salientes por las siguientes razones:
1.
Los polos salientes tienden a producir ruido y a sufrir pérdidas excesivas si el rotor gira a altas velocidades.
2.
La construcción de polos salientes destinados a operar a altas velocidades requiere el empleo de materiales mecánicamente resistentes, pesados y costosos (debido a los grandes esfuerzos mecánicos involucrados). 67
Rotores de Polos Salientes
Son de uso común en generadores que rotan a baja velocidad. Para suministrar tensión a una frecuencia de 50 Hz requiren un gran número de polos en el rotor, por lo cual: Rotores de baja velocidad presentan un gran diámetro para poder acomodar una gran cantidad de polos magnéticos, y requieren poca longitud axial. 68
Rotores Lisos o Cilíndricos
Conforman un cilindro liso hecho de acero forjado, y poseen un cierto número de ranuras maquinadas en la periferia. Las bobinas del campo están inmersas en dichas ranuras y conectadas en serie a los anillos rozantes, que permiten su energización mediante la excitatriz de c.c. Los sectores que forman los polos normalmente se dejan sin ranurar. 69
Rotores Lisos o Cilíndricos Los emplean alternadores impulsados por turbinas de vapor o de gas, que rotan a 1500 ó 3000 rpm. Características
Presentan gran robustez mecánica y operan silenciosamente a altas velocidades. La distribución del flujo magnético alrededor de la periferia rotórica es prácticamente una onda senoidal. Por lo tanto, se obtiene una fuerza electromotriz más senoidal que en el caso de los rotores de polos salientes.
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Conexionados Rotóricos
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SINCRONIZACION DE GENERADORES Procedimiento mediante el cual dos generadores o sistemas eléctricos se interconectan entre sí, bajo condiciones operativas, en las cuales: La amplitud de los voltajes La secuencia de fases La frecuencia El desfasaje angular
se ajustan para lograr dicho acoplamiento con el menor grado de perturbación en el sistema. 72
DETERMINACION DE LAS CONDICIONES DE SINCRONIZACION DEL GENERADOR
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SISTEMAS ASOCIADOS AL GENERADOR PARA EFECTUAR SU CONTROL
Regulador Automático de Voltaje.
Regulador de Velocidad del Mecanismo Impulsor (por ej.: Turbina o Motor Diesel).
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VELOCIDAD DE LA MAQUINA SINCRONICA EN FUNCION DEL NUMERO DE POLOS
60 f n rpm = Pp • n: Número de revoluciones por minuto del rotor [rpm].
• f : Frecuencia de la red eléctrica [Hz].
• Pp: Número de pares de polos.
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Curva de Capacidad del Generador
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Curva de Capacidad del Generador
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Curva de Capacidad del Generador
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INTERRUPTORES
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Interruptores Modulares • Interruptor automático modular en riel DIN. • Protegen las instalaciones contra sobrecargas y cortocircuitos. • Apropiados para instalaciones domiciliarias, comerciales e industriales. Capacidades de corte típicas Uso doméstico: 3 – 4.5 – 6 kA. Instalaciones comerciales: 10 kA. Instalaciones industriales: 25 kA.
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Interruptor para Bajo Voltaje Empleado como interruptor principal en sistemas de distribución de bajo voltaje, arranque y detención de motores y separación de cargas durante operaciones de mantenimiento.
Línea OT de ABB
Rango de corrientes desde 16 a 160 A. Puede ser montado sobre placa base o en puertas de gabinetes mediante encastres o tornillos. 81
Protectores de Terminales Encastrables
Incrementan el nivel de seguridad ocupando un mínimo de espacio.
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Interruptor Diferencial • Dispositivo amperométrico de protección. • Se dispara (abre sus contactos) al detectar fuga de corriente a tierra. • Efectúan la suma vectorial de las corrientes de línea. Si esta es cero, mantienen los contactos cerrados. • Si dicha suma supera un valor mínimo especificado, el dispositivo abre sus contactos. • Aplicables a circuitos monofásicos y trifásicos. 83
SECCIONADORES
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Seccionador Unipolar
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Seccionador Tripolar para Montaje Interior
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Seccionador Tripolar para Altas Intensidade Intensidades s
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Seccionador Tripolar para Montaje a la Intemperie
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Seccionador Tripolar para Montaje a la Intemperie
Se pueden observar los contactos de sacrificio anclados a los contactos fíjos y móviles (6 en total).
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Seccionador Tripolar con Cámaras Apagachispas
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Seccionador Tripolar con Cámaras de Extinción
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Seccionador Tripolar de Cuchillas Deslizantes
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Seccionador Tripolar con Fusibles
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Seccionador Tripolar con Fusibles
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Seccionador Unipolar de Columna Central Giratoria
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Seccionador Unipolar de Columna Central Giratoria
Detalle de los terminales de contacto.
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Seccionador Tripolar de Dos Columnas Giratorias por Fase
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Seccionador Unipolar de Pantógrafo
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Seccionador Unipolar de Pantógrafo
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Seccionador Unipolar de Semipantógrafo
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Seccionador Unipolar de Semipantógrafo en Posición Abierto
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PROTECCIONES ELECTRICAS
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Propósitos de las Protecciones Eléctricas
Minimizar el daño a equipos y personas, causado por fallas.
Mantener operativo el equipo no afectado por la falla.
Asegurar que los equipos operen dentro de los parámetros de diseño.
Mantener la estabilidad del sistema eléctrico, a pesar de las perturbaciones causadas por los desperfectos. 103
Requisitos a Cumplir por las Protecciones Eléctricas
Velocidad de respuesta.
Confiabilidad.
Seguridad.
Sensibilidad.
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Tipos de Fallas Posibles en Sistemas Eléctricos
Simple fase a tierra.
Doble fase.
Doble fase a tierra.
Trifásica.
Trifásica a tierra. 105
Tipos de Fallas Posibles en Sistemas Eléctricos
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Algunos Motivos que Pueden Promover la Aparición de Fallas Eléctricas
Factores atmosféricos:
Rayos (descargas eléctricas). Acumulación de nieve o hielo. Fuertes lluvias y vientos. Inundaciones.
Sales depositadas en aisladores de líneas aéreas y subestaciones.
Incendios forestales cercanos a equipos y líneas eléctricas, vandalismo, etc. 107
Probabilidad de Ocurrencia de Distintos Tipos de Fallas Eléctrica en Líneas de Transmisión
Simple fase a tierra: (67%)
Doble fase: (25%)
Doble fase a tierra: (3%)
Trifásica + trifásica a tierra: (5%) 108
ALGUNOS TIPOS DE PROTECCIONES ELECTRICAS
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Fusible
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Protección de Sobreintensidad
Controla la intensidad de corriente circulante por el equipo protegido.
Cuando la corriente es mayor a la de ajuste del relé, se produce alguna acción, como por ej.:
Se dispara un interruptor.
Se activa una alarma óptica o acústica, etc. 111
Protección de Sobreintensidad
Se las clasifica en dos grandes grupos:
A tiempo independiente: Actúa siempre en el mismo tiempo para todo valor de intensidad superior a la de ajuste del relé. 112
Protección de Sobreintensidad
A tiempo dependiente: Actúa en un tiempo que depende del valor de la corriente que detecta el relé.
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Protección de Sobreintensidad • Un elemento actuante por sobrecorriente. • Un elemento de acción retardada (temporizado). • La temporización puede ser nula, para lograr un relé de acción instantánea.
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Relé de Acción Instantánea
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Protección de Sobreintensidad (Elementos de Acción Instanténea)
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Protección de Sobreintensidad (Un Elemento de Acción Retardada)
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Protección de Sobreintensidad (Característica de Tiempo Inverso)
t=
k α
Ip −1 Ia
s
Ip: Intensidad de paso. Ia: Intensidad de ajuste.
α,k : Constantes de diseño. t : Tiempo de operación. Pueden tener diferentes características de operación: (1) Tiempo normal inverso, (2) muy inverso y (3) extremadamente inverso. Esto lo define la constante alfa.
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Protección Diferencial
El elemento protegido se encuentra entre dos transformadores de corriente (T.I.). Esta protección se dispara en caso de que la falla se produzca entre los T.I., no actuando si dicha falla se produce fuera del área protegida por los T.I.
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Protección Diferencial (condiciones normales)
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Protección Diferencial (condiciones defectuosas)
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Protección de Transformadores (Relé Buchholz)
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RELE BUCHHOLZ
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RELE BUCHHOLZ (1 - partes componentes)
2-3: Ventanas para inspección del sistema de interruptores. Al poseer cristales con marcas milimetradas, es posible efectuar una medición del volumen de gas colectado.
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RELE BUCHHOLZ
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(2 - partes componentes) 1 y 8: Orificios blindados para el pasaje de cables. 2: Cubierta de aleación liviana y resistente a agentes climáticos. 3: Caja de terminales. 4: Válvula de pruebas y llave. 5: Tapa de cierre. 6: Diagrama de la disposición de interruptores. 7: Puesta a tierra de la caja de conexiones. 10: tapa de cierre de válvula.
9: Contactos eléctricos.
RELE BUCHHOLZ (3 - partes componentes)
1: Flotador de contactos superiores.
10: Flotador de contactos inferiores.
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RELE BUCHHOLZ (4 - partes componentes) Contactos Superiores 6: Imán permanente. 8: Bulbos de contacto magnético.
Contactos Inferiores 4: Amortiguador. 7: Bulbos de contacto magnético. 9: Imán permanente. 127
RELE BUCHHOLZ (5 - partes componentes) El imán permanente y el flotador están unidos rígidamente, y conforman una unidad móvil acoplada a la estructura, junto con el dispositivo de prueba mecánico (2) y los bulbos de contacto magnético. El amortiguador (4) está sujeto mediante imanes adicionales (3), y actúa sobre el sistema de contactos inferiores. 128
Protección de Transformadores (Relé Buchholz) Condición operativa normal: No actúa el relé.
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Protección de Transformadores (Relé Buchholz) Pequeños defectos
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Protección de Transformadores (Relé Buchholz) Falla grave
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