Subestaciones UNIDAD II

Notas de Subestaciones Eléctricas de Potencia

Unidad II

UNIDAD II

Elementos principales de las subestaciones subestaciones eléctricas y especificaciones especificaciones de equipo.

27


Unidad II

2.1. – Equipo primario. – En este punto se describirán, las características más importantes del equipo principal que se instala en una subestación y que son: a) b) c) d) e) f) g)

Transformadores de potencia. Transformadores de Instrumentos. Interruptores. Cuchillas. Apartarrayos. Reactores y Capacitores. Tableros.

a. – Transformadores. – El transformador es la parte más importante en una subestación eléctrica ya sea por la función que realiza que es la de transferir energía eléctrica de un circuito a otro que son por lo general de diferente tensión, o bien por su costo en relación con los otros equipos de la subestación. Los transformadores en aceite tienen su parte activa sumergidos en aceite mineral (derivados del petróleo) por lo que no se tienen limitaciones ni en las potencias ni en las tensiones, ya que es común encontrar transformadores hasta de 400 MVA y con tensiones del orden de los 500 KV y en algunos casos con valores superiores. Podemos considerar que el transformador esta formado por tres partes:   

Parte activa Parte pasiva Accesorios

La parte activa esta formada por un conjunto de elementos separados del tanque principal y se agrupan de la siguiente forma: 1. 2.

3. 4.

Núcleo. Este constituye el circuito magnético, que está fabricado en láminas de acero al silicio. Bobinas. Estas constituyen el circuito eléctrico. Se fabrican utilizando alambre o solera de cobre o de aluminio. Los conductores se forran de material aislante que pueden tener diferentes características de acuerdo con la tensión de servicio de la bobina. Cambiador de derivaciones. Constituye el mecanismo que permite regular la tensión de la energía que fluye de un transformador. Puede ser de operación automática o manual. Bastidor. Esta formado por un conjunto de elementos estructurales que rodean el núcleo núcleo y las bobinas y cuya función es soportar los esfuerzos mecánicos y electromagnéticos que se desarrollan durante la operación del transformador.

La parte pasiva consiste en el tanque donde se aloja la parte activa; se utiliza en los transformadores cuya parte activa va sumergida en líquidos. El tanque debe de ser hermético, soportar el vacío absoluto sin presentar deformación permanente, proteger eléctrica y mecánicamente el transformador, ofrecer puntos de apoyo para el transporte y la carga del mismo, soportar los enfriadores, bombas de aceite, ventiladores y los accesorios especiales. Los accesorios de un transformador son un conjunto de partes y dispositivos que auxilian en la operación y facilitan las labores de mantenimiento.

28


Unidad II

Figura 2.1 El Transformador 1. Boquilla de alta tensión 2. Boquilla de baja tensión 3. Tanque conservador 4. Relevador Buchholz 5. Válvula de entrada de aceite 6. Brida para sello de nitrógeno 7. Indicador de nivel de aceite 8. Válvula de alivio (cuello de ganso) 9. Relevador de presión súbita 10. Caja de terminales de transformadores de corriente 11. Oreja para gancho de maniobra 12. Cambiador manual de derivaciones 13. Registro de entrada de personal 14. Tanque 15. Soporte de maniobra con gato 16. Soporte de izaje 17. Termómetro de aceite 18. Radiador

19. Válvula del radiador 20. Escalera 21. Termómetro de devanados 22. Placa de datos 23. Caja Terminal para dispositivos de protección 24. Válvula inferior 25. Base 26. Conector para aterrizado 27. Perno de montaje 28. Núcleo 29. Armazón final 30. Bobina 31. Placa de presión para la bobina 32. Perno de presión para la bobina 33. Cambiador de derivaciones 34. Gancho de izaje de bobinas y núcleo 35. Cincho para bobina y núcleo 36. Soporte

29


Unidad II

Figura 2.2 Transformador trifásico con equipo INETAIRE y enfriamiento OA/FA/FA

Figura 2.3 Transformador trifásico de 12/16/20 MVA

30


Unidad II

Figura 2.4 Diagrama de un Autotransformador

Figura 2.5 Autotransformador

31


Unidad II

Boquillas. - Su finalidad es facilitar la conexión eléctrica entre las terminales de devanados y el exterior manteniendo hermeticidad y aislamiento. Existen tres tipos básicos, sólido, en aceite y tipo condensador, su aplicación dependerá del diseño.

Figura 2.6 Diagrama de una boquilla solida

1 2 3 4 5 7 8

Conductor Tuerca de tope Anillo de fijación Guarnición media luna Tapón Arandela de tope Guarnición “O” ring

9 Guarnición plana 10 Aislador de porcelana 12 Placa de identificación 13 Arandela distanciadota 14 Arandela de presión 15 Pino de conexión 16 Tornillo para fijación

32


Unidad II

Figura 2.7 Boquilla Vertical en aceite

Figura 2.8 Boquilla horizontal en aceite

33


Unidad II

Boquilla de alta tensión (230 KV), marca Haefely y boquilla de baja tensión (115 KV) marca Haeffely, ambas tipo capacitor, en aceite y con indicador de nivel de aceite integrado. Boquillas para línea de neutro (HoXo) y terciario (Y1) marca Lapp, 15 KV 1200 amps

Boquilla H1

Boquilla para X1

Boquilla para H0X0,

Figura 2.9 Boquillas para transformadores

Estas boquillas de alta y baja tensión son del tipo condensador y en las del terciario son de tipo sólido marca Passoni & Villa.

Boquilla H1

Boquilla X1

Boquillas H0X0, Y1 y Y2

Figura 2.10 Boquillas para transformadores

34


Unidad II

Tanque conservador. – Debe de cumplir con tres importantes funciones: a) Mantener constante el nivel de aceite. El aislamiento del transformador se establece teniendo en cuenta la presencia del aceite aislante. Por lo tanto, es esencial que el tanque del transformador este siempre lleno de aceite a pesar de la dilatación o de la contracción del volumen de aceite en función de las variaciones de temperatura. b) Impedir el envejecimiento del aceite. Bajo la acción del oxígeno y de las sales minerales que actúan como catalizador, se produce en el aceite de los transformadores, una reacción de envejecimiento, cuya velocidad está favorecida por la temperatura. Este envejecimiento se traduce en un aumento de la acidez y la formación de compuestos que atacan la celulosa, provocando la degradación de las características eléctricas de los aislantes. c) Impedir la absorción de humedad. Los aceites utilizados para el aislamiento de los transformadores son muy higroscópicos; su contenido en agua afecta, por otra parte, a su rigidez dieléctrica. La absorción de agua por el aceite entraña el riesgo de una concentración de humedad en los aislamientos de los arrollamientos con el consiguiente peligro de una reducción de sus propiedades aislantes. El tanque conservador de aceite es un simple depósito de expansión de chapa de acero. Es cilíndrico y está soportado sobre el tanque del transformador, por encima del nivel de la tapa. Para mantener constante el nivel del aceite en el transformador, el tanque conservador esta sobredimensionado, para contener el 10% del volumen total del aceite, con lo que se puede hacer frente a cualquier variación del nivel de aceite. Los tanques conservadores destinados a transformadores equipados con cambiador de derivaciones bajo carga son de construcción especial y están provistos de dos compartimientos de los cuales, uno de ellos alimenta el tanque del transformador y el otro contiene el aceite de reserva para la cámara de ruptura del conmutador. Ambos compartimientos están separados por una división y se comunican entre sí por una apertura, cerrada por un disco de material filtrante, asegurando de esta forma el equilibrio de presiones entre el aceite del tanque del transformador y el de la cámara de ruptura del cambiador de derivaciones. El indicador de nivel de aceite está montado normalmente sobre una de las paredes laterales del tanque conservador; está provisto de un disco graduado vertical, cuya aguja indica las fluctuaciones de nivel de aceite. El desecador de aire contiene una cantidad apropiada de silica gel, en un cuerpo cilindrico de fundición de aluminio. El aire húmedo penetrará por la parte inferior y recorre sucesivamente los compartimientos en zigzag. El frasco de vidrio con silica gel, se deberá revisarlos periódicamente y observar el color de la silica, la cual varía con la humedad de acuerdo a lo siguiente: silica gel color azul = seco silica gel color violáceo = humedad entre 20 y 30% silica gel color rosado = humedad al 100%

35


Unidad II

Figura 2.11 Dibujo esquemático de algunos accesorios de un transformador de potencia en aceite 1 Tanque conservador 2 Filtro 3 Indicador magnético de nivel de aceite 4 Válvula de paro 5 Válvula de paro 6 Relé Buchholz 7 Recuperador de gas

8 Cámara de ruptura del conmutador 9 Válvula de desagüe de aceite sucio 10 Válvula de purga y de llenado del compartimiento principal 11 Desecador de aire 12 Válvula de purga de compartimiento de regulación 13 Tubería de llenado 14 Tubo de seguridad

Relevador Buchholz. - Este relevador tiene la función de proteger al transformador al producirse gases por una falla interna. Detecta la presión que existe en el interior del tanque y actúa de acuerdo a la gravedad de la misma; por ejemplo en caso de sobrecarga crítica o falla pequeña esta provoca un aumento de presión en el tanque y el relevador hace sonar una alarma, pero si la falla es grave y la presión extremadamente alta el relevador manda una señal al control del interruptor de potencia para disparo sacándolo de servicio para protegerlo de un daño mayor. A continuación, vamos a dar luna relación de las fallas más importantes que pueden ser detectadas por el relevador Buchholz. a) Ruptura de una conexión, se produce un arco, que se alarga rápidamente por fusión de los conductores pudiendo provocar un corto circuito. Este arco volatiza el aceite. b) Falla entre el aislamiento y la masa, se produce un arco entre este punto del embobinado y el tanque del transformador. Este arco volatiza y descompone el aceite. Frecuentemente, está falla es ocasionada por sobretensiones.

36


Unidad II

c)

En caso de corto circuito o de sobrecarga brusca se produce un fuerte aumento de la temperatura, principalmente en las capas interiores de los embobinados. El aceite alrededor de las bobinas se volatiza bruscamente y los gases que resultan son lanzados violentamente hacia el exterior de los arrollamientos como si se tratara de una explosión, bajo la forma de pequeñas burbujas. d) Si se llega a degradar las propiedades químicas del aceite, que reducen su rigidez dieléctrica, pudiendo ser que algunos lugares estén sometidos a esfuerzos electroestáticos elevados. Se pueden producir descargas que, al principio, no tienen ninguna importancia, pero en forma repetitiva puede afectar seriamente al transformador.

Figura 2.12 Relevador Buchholz marca ACEC

37


Unidad II

Figura 2.13 Corte de un Relevador Buchholz

1 Llave de evacuación de los gases , puede servir Para el control de alarma y de desconexión 2 Flotador de alarma 3 Mirilla graduada de vidrio 4 Brida de unión al transformador

5 Agujeros roscados para circuitos controlados 6 Flotador de desconexión 7 Brida de unión al deposito conservador de aceite 8 Llave de vaciado, que puede servir para el control de desconexión

Figura 2.14 Relevadores Buchholz de diferentes marcas

38


Unidad II

¡

39


Unidad II

El depósito “a” normalmente lleno de aceite, contiene, dos flotadores b1 y b2 móviles alrededor de ejes fijos. Si a consecuencia de una falla poco importante, se producen pequeñas burbujas de gas, éstas se elevan en el tanque del transformador y se dirigen hacia el tanque conservador. Estas burbujas las detecta el relé Buchholz y las almacena en el deposito “a” donde el nivel del aceite baja progresivamente, a medida que las burbujas llenan el espacio superior del deposito. Como consecuencia, el flotar superior b1 se inclina y cuando la cantidad de gas es suficiente cierra sus contactos c1 que alimenta el circuito de alarma “d”. Si continúa el desprendimiento de gas , el nivel de aceite en el depósito baja hasta que los gases pueden alcanzar la tubería que los lleva hasta el tanque conservador. Se debe observar la cantidad y aspecto de los gases desprendidos ya que esto permite localizar la naturaleza y la gravedad de la falla. El color de estos gases da una buena indicación sobre el lugar en donde se ha producido la falla; por ejemplo:   

Gases blancos indica que proceden de la destrucción del papel. Gases amarillo indica que proceden de la deteriorización de piezas de madera Gases negros o grises indica que proceden de la descomposición del aceite

El flotador inferior b2 conserva su posición de reposo mientras sea lento el desprendimiento de gases. Si la falla se acentúa, el desprendimiento se hace violento y se producen grandes burbujas, de tal forma que a consecuencia del choque, el aceite fluye bruscamente a través de la tubería, hacia el tanque conservador. Este flujo de aceite encuentra al flotador b2 y lo acciona, lo que provoca el cierre de los contactos c2. estos accionan a su vez, el mecanismo de desconexión f de los interruptores de los lados de alta y baja tensión del transformador, poniendo a este fuera de servicio. Se obtiene el mismo resultado, en caso de sobrecarga peligrosa para el transformador, ya sea porque la corriente de carga resulta muy elevada o a consecuencia de un corto circuito en la red secundaria. En este caso, las numerosas y pequeñas burbujas expulsadas de todo el embobinado a consecuencia del calentamiento de los arrollamientos, actúan como si se tratara de algunas burbujas grandes, es decir, a la manera de un choque que obliga a fluir al aceite, el cual acciona el flotador b2. esta acción es tan rápida que la desconexión de los interruptores se produce antes de que el transformador haya quedado afectado por la sobrecarga.

Cambiador de derivaciones . – La regulación de tensión de los transformadores puede efectuarse de dos maneras: a) Sin carga b) Bajo carga a) Para compensar los valores de regulación que sean diferentes a los tomados como base para determinar los valores correspondientes a la tensión de equipo los transformadores por norma vienen provistos por cuatro derivaciones partiendo de la base correspondiente a la tensión nominal de equipo, las derivaciones tienen los valores siguientes: Posición No. Posición No. Posición No. Posición No. Posición No.

1 +2.5% Vnom 2 Vnom 3 -2.5% Vnom 4 -5.0% Vnom 5 -7.5% Vnom

Posición No. Posición No. Posición No. Posición No. Posición No.

1 2 3 4 5

+5.0% Vnom +2.5% Vnom Vnom -2.5% Vnom -5.0% Vnom

Este tipo de regulación se efectúa en vacío, es decir, el transformador debe de estar desenergizado, produciéndose interrupciones de energía en el circuito de la carga, cada vez que se realice un cambio de derivación.

40


Unidad II

Figura 2.18 Diagrama de un cambiador de derivaciones sin carga 1 2 3 4 5

Soporte de los contactos fijos Contactos Fijos Contactos móviles Guia para contactos móviles Fijador de posiciones

6 Acoplamiento para permitir el levantamiento de la parte activa 7 Sistema de sellado de aceite 8 Indicador de posición 9 Manivela 10 Pared del tanque del transformador

41


Unidad II

Figura 2.19 Transformador con cambiador de derivaciones lateral sin carga

Figura 2.20 Vista de los contactos y mecanismos de cambiadores de derivación sin carga

42


Unidad II

Para efectuar cambios en las derivaciones bajo carga debe establecerse un puente eléctrico entre las derivaciones mientras se realiza el cambio. Como durante el tiempo en que esta conectado el puente, queda en corto circuito el tramo de devanado entre las dos derivaciones debe intercalarse una impedancia que limite el valor de la corriente a un valor tal que no sea peligroso para el tramo de devanado en corto circuito. Existe una gran diversidad de arreglos para intercalar esta impedancia de acuerdo a cada fabricante, sin embargo en Europa se ha normalizado el empleo de resistencias para la impedancia puente. Como durante el tiempo en que se realiza el cambio de derivación esta resistencia debe de limitar la corriente para evitar calentamiento excesivo en la misma, se requiere que el cambio de derivaciones sea muy rápido (el tiempo de conmutación es de unos 0.05 seg) para lo cual se necesita un mecanismo complicado que demanda mantenimiento constante. La norma americana emplea como impedancia puente una reactancia con lo que no se requiere una elevada velocidad en el carro de derivaciones y por consiguiente un mecanismo más confiable.

Figura 2.21 Diagrama del método elemental del cambiador de derivaciones bajo carga Cualquier cable conectado a la derivación A o B puede ser desconectado o conectado a otra derivación para llevar a efecto un cambio sin interrumpir el flujo de energía hacia la carga. La impedancia puente debe de ser de un valor muy grande para limitar la corriente en el tramo de devanado en corto circuito a un valor no mayor de la corriente a plena carga para evitar destrucción o daño a esta parte del devanado. La reactancia de los transformadores esta constituida por un reactor conectado como autotransformador, al cual se le llama autotransformador preventivo y funciona como se indica en las siguientes figuras.

Figura 2.22 Método elemental de un cambiador de derivaciones con autotransformador preventivo

43


Unidad II

El autotransformador preventivo tal como se muestra en la figura 2.22 se diseña de una manera tal que el núcleo se sature cuando se le impone un voltaje no mayor que el voltaje nominal que se tiene entre derivaciones. Esto permite limitar el voltaje a un valor tal que sin ningun problema pueden desconectarse las terminales A o B del autotransformador preventivo de cualquiera de las derivaciones. El valor de la reactancia de excitación del autotransformador preventivo limita la corriente de corto circuito entre las derivaciones a un valor inferior al de plana carga cuando se conecta entre dos derivaciones, durante el tiempo en que se tarda de cambiar de una derivación a otra.

Figura 2.23 Diagrama de un transformador con cambiador de derivaciones bajo carga

Inertaire es el sistema para eliminar el oxígeno y la humedad del aire que se aspira dentro del tanque de un transformador, cuando al bajar la temperatura del aceite, se crea un vacío parcial dentro del tanque. Eliminando el oxígeno y la humedad, los gases inertes remanentes, son casi exclusivamente de nitrógeno. Se alimenta nitrógeno seco a baja presión dentro del tanque del transformador, provenientes de tanques de nitrógeno de alta presión, en lugar de depender de la eliminación del oxígeno y de la humedad del aire aspirado por la atmósfera. Estos equipos mantienen un colchón de gas seco inerte, sobre la superficie del aceite del transformador.

El medio refrigerante o enfriamiento es tan importante que existe una clasificación de los transformadores con relación a esto y que están referidos a las recomendadas por la comisión internacional electrotécnica.

44




Unidad II

Tipo OA. Sumergido en aceite con enfriamiento natural. En estos transformadores, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque con paredes lisas, o corrugadas, o provisto de enfriadores tubulares o radiadores separables. La construcción del tipo tubular fijo suele usarse hasta unos 3 MVA. Los enfriadores tubulares estan formados por tubos soldados a cabezales fijos en las paredes del tanque. El aceite aislante circula en el interior de los tubos haciendo que la disipación del calor aumente considerablemente. Arriba de 3 MVA los transformadores se suministran normalmente con radiadores desmontables, que a la entrada y salida deben de tener válvulas de mariposa para que en caso necesario se pueda desmontar el radiador del tanque sin necesidad de vaciar el aceite del transformador.



Tipo OA/FA y OA/FA/FA Sumergido en aceite con enfriamiento natural y con enfriamiento con aire forzado. Este tipo de transformador es básicamente una unidad OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor y en consecuencia la potencia de salida del transformador. Este tipo de enfriamiento es aplicable cuando la unidad debe soportar sobrecargas durante periodos cortos, pero cuya ocurrencia se espera con frecuencia dentro de las condiciones normales de trabajo y que deben de ser toleradas sin afectar el funcionamiento normal del transformador. El enfriamiento forzado puede también usarse cuando se desea aumentar la carga permanente de un transformador, pero es necesario calcular cuidadosamente la elevación de la temperatura para no acortar la vida útil del aparato. El transformador debe contar con un número suficiente de radiadores, detectores de temperatura, sistema de control y protección con el objeto de que no exceda las temperaturas máximas permisibles. Los motores de los ventiladores deben de ser trifásicos, totalmente cerrados para el servicio en intemperie, frecuencia de 60 Hz., clase de aislamiento B, elevación de temperatura de 80°C, con dispositivos de protección contra corto circuito para cada motor. El control de los pasos de enfriamiento debe hacerse basándose en la temperatura. El gabinete de control debe de incluir interruptores termomagnéticos por grupo y contactores magnéticos directos a la línea para arranque y paro del grupo. La máxima potencia que se puede conseguir por el uso de ventiladores dependerá del autoenfriamiento del transformador. En cualquier caso puede ser calculado de la siguiente manera:

Para 2500 KVA (OA) y menores: KVA (FA) = 1.15 X KVA (OA) Para 2501 a 9 999 KVA (OA) monofásicos o 11 999 KVA (OA) trifásicos: KVA (FA) = 1.25 X KVA (OA) Para 10 000 KVA (OA) monofásicos y 12 000 KVA (OA) trifásicos y mayores: KVA (FA) = 1.333 X KVA (OA)

45


Unidad II

Tabla 2.1 Capacidades para transformadores con enfriamiento OA y OA/FA

Transformadores Monofásicos (KVA) Transformadores Trifásicos (KVA) OA FA OA FA 833 1250 1667 2500 3333 5000 6667 8333

958 1437 1917 3125 4167 6250 8333 10417

750 1000 1500 2000 2500 3750 5000 7500 10000

862 1150 1725 2300 3125 4687 6250 9375 12500

Tabla 2.2 Capacidades para transformadores trifásicos con enfriamiento OA/FA/FA

OA 12000 15000 20000 25000 30000 37500 50000 60000







Primer Paso Segundo Paso OA/FA OA/FA/FA 16000 20000 26667 33333 40000 50000 66667 80000

20000 25000 33333 41667 50000 62500 83333 100000

Tipo OA/FOA/FOA. Sumergido en aceite con enfriamiento natural, con enfriamiento con aceite forzado – aire forzado, con enfriamiento con aceite forzado – aire forzado. El régimen del transformador tipo OA puede ser aumentado por el empleo combinado de bombas y ventiladores. En la construcción se usan los radiadores desprendibles normales con la adición de ventiladores montados sobre dichos radiadores y bombas de aceite conectadas a los cabezales de los radiadores. El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas con lo que se logra aumentar en 1.333 veces la capacidad sobre el diseño en OA, con el segundo paso se hace trabajar la totalidad de los radiadores y bombas logrando un aumento de 1.667 veces el régimen OA. El arranque y paro de los ventiladores y bombas son gobernados por la temperatura del aceite, por medio de controles automáticos que seleccionan la secuencia de operación al aumentar la carga del transformador. Normalmente se fabrican en tamaños de 10000 KVA monofásicos o 12000 KVA trifásicos y mayores. Variaciones aceptadas de este tipo de enfriamiento que se designan con el nombre de triple régimen son las unidades OA/FA/FA y OA/FA/FOA cuya construcción queda definida por su propia designación. Tipo FOA. Sumergido en aceite con enfriamiento por aceite forzado y aire forzado. El aceite de estos transformadores es enfriado al hacerlo pasar por radiadores de aire y aceite colocados fuera del tanque. Se usa únicamente con los ventiladores y bombas de aceite trabajando continuamente, en cuyas condiciones pueden sostener la totalidad de su carga nominal. Tipo OW. Sumergidos en aceite con enfriamiento por agua. El agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales estan en contacto con el aceite aislante del transformador y se

46


Unidad II

drena por gravedad o por medio de una bomba independiente, el aceite circula alrededor de los serpentines por convección natural. 

Tipo FOW. Sumergido en aceite con enfriamiento de aceite forzado con enfriadores de agua forzada. Este transformador es prácticamente igual que el FOA solo que el cambiador de calor es del tipo agua – aceite y por lo tanto el enfriamiento del aceite se hace por medio del agua sin tener ventiladores.

Un aspecto muy importante a considerar con respecto al medio refrigerante de los transformadores es que la disipación del calor por convección que resulta la mas importante en los equipos eléctricos disminuye con la altitud, es decir que ha mayor altura de operación sobre el nivel del mar debido a la variación en la densidad del aire la disipación de calor se hace menos efectiva, por lo que es común que los fabricantes de transformadores los diseñen para disipar la temperatura en forma normal hasta una altura de 1000 m.s.n.m. reduciendo a partir de entonces su capacidad a mayor altitud. Lo que limita la capacidad de un transformador es la temperatura máxima admisible en el interior de los devanados y en el aceite. Un valor de temperatura excesivo en los devanados produce la carbonización lenta de los aislamientos en contacto con el cobre; y el aceite calentado largo tiempo por encima de ciertos límites, se descompone, formando sobre los devanados depósitos de reacción ácida que a la vez impiden la evacuación del calor y elevan considerablemente la temperatura interna. Si se le da una protección adecuada contra la corrosión al cobre y al hierro, estos durarán indefinidamente, pero los materiales aislantes en la mayoría de los transformadores se deterioran por efecto de la temperatura, la humedad y él oxigeno. Todos excepto los materiales de cerámica se desintegran en ciertos periodos de tiempo. El tiempo que transcurre antes de que los aislantes de un transformador se deterioren o fallen es muy largo (si el transformador nunca se sobrecalienta puede durar 50 años). Un transformador moderno puede durar mucho tiempo con un uso normal (hasta 30 años, si este no esta expuesto en forma continua a corrientes de corto circuito, ni sobrecargas altas, etc.). De cualquier modo la vida de un transformador es la vida de los aislantes, cuando los aislantes fallan la vida útil del transformador ha terminado. Clase de aislamiento es él termino usado en las normas NEMA y ASA para especificar la temperatura de operación de los tipos de aislamientos y estos están designados por letras, así que tenemos que los transformadores usan aislamiento clase “A”.

MATERIALES PARA AISLAMIENTO Papel Kraft Papel Manila Cartón Kraft Presboard Cinta de algodón

EXTRAIDO DE Madera Cuerdas de Manila Fibra de madera Madera y algodón Algodón

El papel y la cinta de algodón, tienen una elevada rigidez dieléctrica cuando están secos, sin embargo, debido a que poseen propiedades hidroscopias, absorben con facilidad la humedad la cual disminuye en grado notable sus propiedades dieléctricas, por esta razón estos materiales deben impregnarse con aceites aislantes o barnices para evitar la entrada de humedad. Si se utilizan aislantes clase “A”, el aumento de la temperatura admisible con devanados impregnados es de 60°C al aire y de 65°C si van sumergidos en aceite. Para el aceite la temperatura máxima admisible es de 55°C sin tanque conservador y 60°C con tanque conservador medido en la parte superior del tanque que es donde esta mas caliente. Estas consideraciones están hechas para una temperatura máxima de 40°C del medio ambiente con refrigeración natural o de 25°C de la temperatura máxima del agua a la entrada del radiador, de acuerdo a lo anterior tenemos que:

47


Unidad II

Para los arrollamientos: 40°C + 65°C = 105°C (el punto más caliente) Para el aceite: 40°C + 55°C = 95°C Condiciones de operación para transformadores con aislamiento clase “A” a).- Promedio diario de la temperatura del medio ambiente 30°C b).- Máxima temperatura del medio ambiente 40°C c).- Elevación de temperatura para la corriente de carga en el embobinado 55°C d).- Promedio de temperatura en el embobinado (promedio diario) 85°C e).- Diferencia entre el embobinado y el punto mas caliente 10°C f).- El punto mas caliente para el promedio diario de Temp. para la I de carga 95°C g).- La temperatura máxima del punto mas caliente 105°C h).- Altura de operación 1000 m.s.n.m. De acuerdo con las condiciones anteriores un transformador puede suministrar una carga superior a las indicadas en la placa en función de las siguientes condiciones:  

Sin perdida de vida útil (operando a menos de 105°C en su punto mas caliente) Con perdida de vida útil (operando a mas de 105°C en su punto mas caliente)

Sin perdida de vida útil.- Cuando queremos obtener la capacidad máxima de carga de un transformador que opera baja una curva bien definida de carga, determinamos lo que se denomina con el nombre de “Capability” que corresponde a la máxima potencia en KVA que puede obtenerse sin que la temperatura de operación de los devanados en su punto más caliente sobrepase los 105°C. Por lo anterior se han establecido en forma empírica por la ASA las normas para determinar la “Capability” de un transformador.

b.- Transformadores de instrumentos Estos transformadores también llamados transformadores de potencial y de corriente nos sirven para aislar los circuitos de medición, control y protección de los circuitos de potencia de alta tensión, de tal manera que las tensiones y corrientes que circulen por estos circuitos sean pequeñas y de esta manera proteger a los equipos y personas que trabajen con ellos. Existen analogías en los TP’S y TC’S que podemos hacer resaltar en la siguiente tabla, notándose que a todo fenómeno observado en uno le corresponde el fenómeno contrario al otro tipo.

TRAN. DE TENSI N Tensión Corriente La carga determina Causa del error Carga secundaria Conexión a la línea Conexión de los aparatos al secundario

Constante Variable La corriente Caída de tensión en serie Cuando Z2 disminuye En paralelo En paralelo

TRAN. DE CORRIENTE Variable Constante La tensión Corriente derivada en paralelo Cuando Z2 aumenta En serie En serie

Transformador de Potencial.- Su nombre obedece a que el parámetro principal a variar es la tensión o sea que permite reducir una tensión de un valor alto a un valor utilizado por los instrumentos de medición o protección (generalmente 120 V) Los transformadores de potencial pueden tener diferentes relaciones de transformación dependiendo del número de devanados en el secundario que se tengan. Transformadores de corriente.- Cuando se desean hacer mediciones cuyos valores son elevados y no pueden ser manejados directamente por los instrumentos de medición o protección o cuando se trata de hacer mediciones de corriente en circuitos que operan a tensiones elevadas es necesario establecer un aislamiento eléctrico entre el circuito primario y los instrumentos, este aislamiento se logra con los TC’S y por lo general el valor de la corriente en el secundario de estos transformadores es de 5 Amp. Según normas.

48


Unidad II

Los transformadores de potencial tienen un error de relación y de ángulo de fase y estos errores están relacionados con la precisión de estos transformadores.

CLASE

UTILIZACI N

0.1 0.2-0.3 0.5-0.6 1.2-3.5

Calibración Mediciones en laboratorio Instrumentos de medición. Watthorimetros Voltímetros de tableros, Voltímetros registradores, Watmetros de tableros, Frecuencimetros, Relevadores de protección.

En la misma forma los transformadores de corriente tienen un error de relación y de ángulo de fase y por lo tanto:

CLASE

UTILIZACION

0.1 0.2-0.3 0.5-0.6 1.2

Calibración y medidas en laboratorio Mediciones en laboratorio Instrumentos de medición para facturación, Watthorimetros Amperímetros indicadores, fasometros, protecciones diferenciales, relevadores de impedancia y de distancia 3-5 Protecciones en general, relevadores de sobre corriente 2 La potencia por suministrar a un TP puede calcularse como: P = V / Z La potencia a suministrar a un TC puede calcularse como: P = ZI

2

Ejemplo: Si se requiere que un TP pueda alimentar a 120 V una carga de 60 VA I = 60 / 120 = 0.5

o

2

2

Z = V / P = 120 / 60 = 240 W

Si un TC tiene 5 Amp. en su secundario y alimenta un instrumento de 100 VA no puede alimentar una impedancia superior a: 2

2

Z = P / I = 100 / 5 = 4 W 

Selección de TP’S y TC’S

Se deben considerar los siguientes aspectos: 

Tipo de servicio.- Interior o exterior, por razones económicas en instalaciones de hasta 25 KV se construyen de tipo interior y de 34.5 KV en adelante se construyen de tipo exterior.



Posición de montaje.- Esta puede ser vertical, horizontal o invertido.



Relación de transformación.- En términos de tensión o en términos de corriente.



Frecuencia nominal.- En ciclos por segundo.



Tipo de aislamiento.- Pueden variar según el rango de tensión al que se instalen. En baja tensión hasta 1 KV son por lo general del tipo interior y emplean como aislamiento resinas sintéticas o aire. En media tensión hasta 23 KV emplean resinas sintéticas y aceite con envolvente de porcelana, para uso interior se emplean las resinas y para exterior porcelana que contiene aceite o aislamientos secos. Alta tensión de 34.5 KV y mayores los aislamientos son de papel dieléctrico impregnado en aceite colocado dentro de la porcelana.

49




Unidad II

Nivel de aislamiento en KV.- Estos transformadores deben cumplir con las siguientes especificaciones dieléctricas:

Tensión de impulso o de rayo con onda 1.2 / 50 ms Tensión a la frecuencia del sistema (60Hz) durante un minuto Tensión a la frecuencia del sistema (60 hz.) durante 10 seg. En ambiente húmedo Tensión al impulso de maniobra con onda de 250 / 2,500 ms > 300 KV Descarga parciales 

Potencia.- los elementos que intervienen en la determinación de la potencia son:

La potencia de los instrumentos por alimentar El consumo de los conductores que conectan al transformador con el instrumento. 

Clase de precisión.- La clase de precisión de los transformadores de instrumentos depende del tipo de instrumento por alimentar, de la potencia de consumo y su factor de potencia, estos instrumentos se toman en consideración en las recomendaciones que por medio de tablas proporcionan los fabricantes.

Ejemplo: Determinar la potencia que debe tomar un TC que alimenta a un amperímetro y a un watmetro y se encuentra a 50 metros del transformador con una relación de 100 / 5 Amp. Amperímetro------ -------- 2.5 VA Watmetro ----------------- 1.5 VA La sección del conductor es de 2,5 mm2 y 8.75 W / Km La potencia consumida por el conductor es VA = RI

2

2

VA = RI (2l)

2

VA = (8.71)(2)(0.05)(5 ) = 21.77 VA un valor comercial es 30 VA Las especificaciones serán: I primaria 100 Amp. I secundaria 5 Amp. Relación de transformación 100 / 5 = 20 Potencia 30 VA Clase de precisión 0.5 Ejemplo: Especificar las características principales de un TP que alimenta los siguientes instrumentos a 120 V un relevador de 8 VA, un voltímetro de 3 VA. Los instrumentos están a 25 metros de distancia del TP con un conductor con R = 0.005 W / m y el primario del transformador esta conectado a una línea de 115 KV. La potencia consumida por el conductor: 2

2

VA = RI (2l) = (0.005)(2)(25)(I ). La I será la de los instrumentos y 8+3 = 11 VA I = P / V = 11 / 120 = 0.091 Amp.

50


Unidad II

Entonces (0.005)(2)(25)(0.912) = 0.0021 VA y la potencia del transformador será igual a 8+3+0.0021 = 11.002 VA. Las especificaciones serán: Tensión primaria 115 /

w 3 KV

Tensión secundaria 120 /

w3 KV

Relación de transformación 115,000 / 120 Volts Potencia 11.002 VA Clase de precisión 1.2 VA

TC’S para 230 Kv

TC’S de 115 Kv

TP capacitivo para 230 Kv

TP Capacitivo para 115 KV

TP inductivo para 230 Kv

TP Inductivo para 115 Kv

Figura 2.24 Transformadores de corriente y de potencial

51


Unidad II

Figura 2.25 Transformadores de corriente

52


Unidad II

Figura 2.26 Transformadores de potencial y de corriente

Figura 2.27 Transformadores de potencial y de corriente

53

Subestaciones UNIDAD II

Recommend Documents