AZCAPOTZALCO

DIVISIN DE CIENCIAS BSICAS E INGENIERA

DEPARTAMENTO DE ENERGA

LICENCIATURA EN INGENIERA ELCTRICA

SISTEMAS DE POTENCIA III

CAPTULO X. PROTECCIN DE TRANSFORMADORES

DR. VICENTE AYALA AHUMADA.

En esta seccin se presentan los esquemas bsicos de proteccin de uso ms comn y recomendados para la proteccin de transformadores tipo distribucin y de potencia, as como la metodologa empleada para definir las especificaciones y los ajustes de las protecciones elctricas. Clasificacin de transformadores por su capacidad. Transformadores de distribucin1: autoenfriados en lquido aislante, monofsicos hasta 167 kVA y trifsicos hasta 500 kVA, y tensin de operacin en sistemas hasta 34.5 kV, utilizados en redes areas y subterrneas. Transformadores de Potencia2: Transformadores sumergidos en lquido refrigerante, servicio intemperie o interior, autoenfriados o con enfriamiento forzado, monofsicos y trifsicos, mayores de 500 kVA. Esquema bsico de proteccin. Al igual que en el caso de la proteccin de motores, cuando se habla de un esquema bsico de protecciones, se debe entender como la recomendacin de un conjunto de dispositivos, para cumplir con los requisitos mnimos que establecen las normas y reglamentos en sus artculos referentes a la proteccin contra fallas elctricas tpicas en transformadores. Esquemas bsicos de proteccin para transformadores. El transformador es una mquina que falla poco en comparacin con otros elementos de un sistema elctrico. Sin embargo, requiere de cuidados y atencin, aunque puede decirse que son mnimos ya que se trata de una mquina "esttica" dado que no tiene partes en movimiento. Cuando falla, lo hace en forma aparatosa y grave, algunas veces puede provocar incendios, de aqu la necesidad de contar con esquemas bsicos de proteccin 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 rpidamente. 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.

1 NMX-J-525 ANCE-2000. Transformadores de Distribucin Reparados. Normas mexicanas ANCE. CONANCE. 2 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 tpicas por arqueo frecuentemente se establecen entre: Un devanado y el ncleo 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 condicin es ms o menos comn en transformadores de distribucin tipo poste

y pedestal, donde la demanda suele rebasar la capacidad del transformador, pero tambin en algunos casos de industrias en las que ha crecido su carga y no ha sido actualizada la capacidad de la subestacin. Tales condiciones resultan por dems indeseables.

3) Sobrecalentamiento excesivo y esfuerzos mecnicos por fallas externas. Por ejemplo: cortocircuitos en el sistema que alimenta el transformador, y que son

observados por ste como una condicin de sobrecarga severa. Sobretensiones, siendo las de origen atmosfrico las ms peligrosas por su magnitud.

La estadstica de incidencia de fallas tpicas, as como las consecuencias que en el equipo y/o servicio provocan, han planteado la necesidad de establecer esquemas bsicos para su aplicacin. Ahora se presentarn algunos de los ms utilizados en transformadores conectados directamente a lneas o a barras que alimentan sistemas de distribucin o cargas. El transformador conectado directamente a un generador en "esquema unitario" o "bloque", se analizara en el captulo correspondiente a la proteccin del generador. Esquemas bsicos de proteccin para transformadores. Transformador instalado en una subestacin industrial tpica. En este caso frecuentemente se utiliza el esquema bsico de proteccin 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 480 220 volts en el secundario). Las caractersticas de los dispositivos empleados son las que indican a continuacin. Dispositivos: Nmero Dispositivo

Interruptor termomagntico en caja moldeada. Protege al devanado de baja tensin, contra la falla de sobrecarga con el elemento trmico y contra la falla de cortocircuito con el magntico.

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Interruptor electromagntico con contactos en aire o en vaco. Cuenta con una unidad de disparo y funciones similares al dispositivo 1, aunque tambin suele instalrsele la unidad contra fallas a tierra.

Fusible de potencia limitador de corriente, proteccin contra cortocircuito del devanado primario (mediana tensin).

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 proteccin son aquellas en las cuales el transformador tiene una capacidad menor de 12000 KVA y no se justifica econmicamente el empleo de un interruptor de potencia en el lado de mayor tensin. Nmero Tipo

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Relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo para proteger al transformador de sobrecargas sostenidas evitando que operen los fusibles de potencia de la proteccin del primario (dispositivo 3) y respaldo a la operacin 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 proteccin 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 presin. (*)

4

Relevador trmico de lquido. (*)

49

Relevador trmico de devanado. (*)

Fusibles de potencia como proteccin del devanado de mayor tensin

(*) 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 presin crtica, permitiendo la salida de gases producidos por falla interna. Ocasionalmente se tienen transformadores de potencia que cuentan con tanque conservador de presin y tienen instalado tambin el relevador de flujo y de presencia gases llamado Buchholz.

Transformador con ms de 12 MVA. Sistema "relevador-relevador". Este esquema se emplea en transformadores con ms de 12 MVA, aunque suele aplicarse en transformadores con 7.5 MVA. La figura 3 indica los componentes que lo integran. Dispositivo: Nmero Tipo

51

Relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo para proteger al transformador de sobrecargas sostenidas, como respaldo al dispositivo 87 en la proteccin de cortocircuito y al sistema de proteccin contra sobrecorriente de alimentadores enlazados al secundario del transformador

51N

Relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo, dispositivo para la proteccin de fallas a tierra en el devanado de menor voltaje conectado en estrella aterrizada

5

87

Relevador diferencial de porcentaje variable, con unidad de restriccin de armnicas, dispositivo para la proteccin primaria contra cortocircuito. Suelen instalarse dispositivos 50 en los devanados primario y/o secundario a manera de proteccin de respaldo

Relevador de nivel de liquido refrigerante, dispositivo que indica la falta de aceite en el tanque

63P

Relevador de presin. (*)

63T

Relevador Bochholz de flujo y presencia de gases. (*)

Relevador trmico de lquido. (**)

86

Relevador auxiliar, dispositivo para secuencia de disparo de los interruptores de potencia y seales de alarma

49

Relevador trmico de devanado (**)

(*) Estos dispositivos disparan el interruptor de ms alta tensin para desenergizar al transformador. Adems, los dispositivos 63T y 71Q suelen tener un arreglo de deteccin de condiciones anormales leves o severas. El primer paso se utiliza para enviar una seal de alarma y el segundo como se mencion, para iniciar una desconexin. (**) Estos dispositivos disparan una seal de alarma para que se tomen medidas correctivas. El relevador 49 tambin se utiliza para controlar en forma automtica la operacin por pasos del sistema de ventilacin forzada.

3

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Metodologa para definir las especificaciones y ajustes de los dispositivos de proteccin contra sobrecarga y cortocircuito en transformadores. Pasos a seguir:

1. Definir y trazar en una hoja "log-log" la zona de operacin normal del transformador.

2. Obtener y trazar en la misma hoja "log-log", la zona o curva de dao del transformador.

3. Determinar y localizar los lmites de ajuste mximo normalizados para los dispositivos de proteccin de sobrecarga (lmites NEC).

4. Seleccionar, ajustar y vaciar las curvas caractersticas de respuesta de los dispositivos de proteccin.

1) Zona de operacin normal del transformador. Para definir y trazar esta zona se requiere de la siguiente informacin especfica del transformador: Corriente de plena carga (Ipc). Capacidad o corriente mxima de sobrecarga (Isc mx.). Caracterstica de magnetizacin (Punto "inrush").

Corriente de plena carga (Ipc). Es la corriente mxima que el transformador puede entregar a partir de su capacidad nominal, se determina con la siguiente expresin:

KVKVAI PC *3

= Donde: KVA = Capacidad nominal. KV = Voltaje nominal entre fases. Capacidad o corriente mxima de sobrecarga (Isc). Es la corriente mxima que el transformador puede entregar en forma sostenida sin deteriorarse, y depende del tipo de sistema de enfriamiento, y de la caracterstica de elevacin mxima de temperatura que permite la clase de aislamiento empleado en la construccin de la mquina. Se determina a partir de la siguiente expresin:

Fsc=FENF*FTEMP Donde: Fsc=Factor de sobrecarga mxima total. FENF=Factor de sobrecarga por tipo de enfriamiento. FTEMP=Factor de sobrecarga por elevacin de temperatura mxima por clase de aislamiento.

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(*) Indica que ambos factores se obtienen de la tabla I.

TIPO DE TRANSFORMADOR

CAPACIDAD KVA

ENFRIAMIENTO

TEMPERATURA

TIPO FACTOR(FENF)

ELEVACIN (C)

FACTOR (FTEMP)

SECO 2500 AA 1.00 150 1.00 FA 1.30 2500 OA 1.00 55/65 1.12 65 1.00

CENTRO > 500 FA 1.00 55/65 1.12 DE 65 1.00

CARGA > 500 FA 1.15 55/65 1.12 2000 65 1.00 >2000 FA 1.25 55/65 1.12 2500 65 1.00 OA 1.00 55/65 1.12 55 1.00

SUBESTACIN FA 1.33 55/65 1.12 PRIMARIA 55 1.00

FOA 1.67 55/65 1.12 55 1.00

TABLA I Capacidad de sobrecarga en transformadores.

Caracterstica de magnetizacin (punto "INRUSH"). Se refiere a la etapa de magnetizacin de la mquina, en la cual el transformador demanda de la lnea, durante 0.1 seg., un valor de corriente que es mltiplo 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=Ipc*FINRUSH Siendo FINRUSH el factor "inrush" o de corriente de magnetizacin, el cual se obtiene de la tabla II.

POTENCIA (kVA)

FINRUSH

Menos de 1500 8.0 1500 a 3750 10.0

Mayor a 3750 12.0

TABLA II Factor insrush.

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2) Zona de dao del transformador. Est queda definida por lo que se llama la "curva de dao" de la mquina, la cual se debe obtener y trazar a partir del siguiente procedimiento: 2a) Primero, se clasifica el transformador por categoras a partir de su capacidad y nmero de fases. Para esto se utiliza la tabla III:

CATEGORA

CAPACIDAD EN kVA

MONOFSICO TRIFSICO I 5 a 500 15 a 500 II 501 a 1667 501 a 5000 III 1668 a 10000 5001 a 30000 IV ms de 10000 ms de 30000

TABLA III Clasificacin de transformadores por categoras segn su capacidad y nmero de fases.

2b) Ahora se procede a determinar el factor por tipo de conexin de los devanados de alta y baja tensin del transformador, tambin conocido como "Factor ANSI" (FANSI), obtenindose de la tabla IV.

ALTA

BAJA

FANSI

DELTA DELTA 0.87 DELTA ESTRELLA-A(*) 0.58

ESTRELLA-A ESTRELLA 1.0 ESTRELLA-A ESTRELLA 1.00

ESTRELLA ESTRELLA-A 1.00 ESTRELLA ESTRELLA-A ncleo 0.57 ESTRELLA ESTRELLA 1.00

ESTRELLA-A DELTA 1.00 ESTRELLA DELTA 1.00

(*) ESTRELLA ATERRIZADA

TABLA IV Factor ANSI por tipo de conexin de los devanados. 2c) Se calculan las coordenadas de los puntos con los que se traza la curva de dao, utilizando las expresiones de la tabla V:

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TABLA V Puntos (I, t) para construir la curva de dao de transformadores.

PUNTO

CATEGORA

TIEMPO (s)

Corriente (A)

1

I II

III y IV

1250*(ZT)2 2 2

FANSI*IPC/ZT FANSI*IPC/ZT

FANSI*IPC/(ZT + ZS) 2

II III y IV

4.08 8.0

0.7*FANSI*IPC/ZT 0.5*FANSI*IPC/ZT

3

II III y IV

2251*(ZT)2 5000*(ZT + ZS)2

0.7*FANSI* IPC /ZT 0.5*FANSI*IPC/ZT

4 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 mnimos del transformador. ZT = Impedancia del transformador expresada en pu (valor por unidad) referido a los KVA mnimos del propio transformador. ZS = Impedancia equivalente de Thevenin del sistema expresada en pu referida a los KVA mnimos del transformador y calculada a partir de la siguiente expresin:

=

S

TSS KVA

KVAZZ *2

Siendo: ZS2 = Impedancia del sistema referida a sus propias bases y expresado en p.u. KVAT = KVA mnimos del transformador. KVAS = KVA del sistema. 3) Lmites normalizados de ajuste mximo para los dispositivos de proteccin de sobrecorriente de los devanados primario y secundario. Se les conoce con el nombre de "lmites NEC" por estar regidos por el National Electric Code (NEC) de los Estados Unidos de Norte Amrica. Estn contenidos en la tabla VI, se expresan en % de la corriente de plena carga a los KVA mximos de la mquina, y se definen a partir de los siguientes parmetros del transformador por proteger: Impedancia expresada en %. Voltaje nominal de los devanados primario y secundario. Tipo de dispositivo de proteccin de sobrecorriente a usar en cada uno de los devanados.

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PRIMARIO

SECUNDARIO

Arriba de 600 V. 600 V. menos. Impedancia del

transformador (%Z) Voltaje (volts)

Ajuste del interruptor

% (1)

Capacidad del fusible

(%) (1)

Ajuste del interruptor

% (1)

Capacidad del fusible

(%) (1)

Ajuste del interruptor fusible %

(1) Todas

Z % 6 6< Z %10

Arriba de 600 V.

300 600 400

250 300 300

Ninguna 300 250

Ninguna 250 225

Ninguna 125 125

Todas Z % 6

6< Z %10

600 V. menos.

125 250 600 400

125 250 600 400

------ ------ ------ ------

------ ------ ------ ------

Ninguna 125 (2) + (2) +

Fuente: NEC (1999). Tabla 450-3(a) p. 70-291. Notas:

1. % IPC de mxima capacidad. 2. + proteccin trmica de sobrecarga coordinada.

As se tiene que existen: El lmite NEC para el primario (INEC primario; 1000 seg.) El lmite NEC para el secundario (INEC secundario; 1000 seg.) 4) Seleccin, ajuste y vaciado de las curvas caractersticas de respuesta de los dispositivos de proteccin contra sobrecorriente. 4a) Seleccin de dispositivos de proteccin. Las caractersticas de los dispositivos de proteccin por sobrecorriente se establecen con base a las especificaciones del transformador por proteger, esquema bsico de protecciones. 4b) Seleccin del ajuste de los dispositivos de proteccin. Aqu solo se describirn aspectos generales, ya que los puntos especficos dependen del tipo de dispositivo de proteccin empleado, teniendo cada uno de ellos (los dispositivos de proteccin) tratamientos particulares, mismos que se describen en los ejemplos que se presentaran ms adelante.

Proteccin 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 proteccin para un tiempo de 1000 segundos, valor mximo 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 mxima de sobrecarga permitida por los tipos de enfriamiento y aislamiento empleado en la construccin del transformador, observando en todos los casos que no se rebase el "Lmite NEC" correspondiente.

Todo lo anterior se debe conseguir, quedando ubicada la curva caracterstica de respuesta del dispositivo de proteccin a la izquierda de la "Curva de dao" del transformador. Con lo

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anterior se garantiza que la proteccin por sobrecarga opere correctamente. Para la proteccin 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 caracterstica de disparo mnimo del dispositivo de proteccin, esto asegura el disparo para esta falla.

Proteccin 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 caracterstica de respuesta del dispositivo de proteccin, esto debido a que salvo excepciones, en la generalidad de los casos un transformador se conecta sin carga al sistema de alimentacin. En resumen los criterios generales para definir la sensibilidad para la proteccin de sobrecarga en ambos devanados son los siguientes:

Ipc < I disparo mnimo de la proteccin de sobrecarga INEC

Ipc < I disparo mnimo de la proteccin de sobrecarga ISC

Siempre y cuando ISC < INEC

Icc < I disparo mnimo de la proteccin de cortocircuito

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