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En este proyecto se seleccionarán la protecciones internas y externas a un transformador de
potencia MIU T4 de 20 MVA’S con una relación de voltaje de 110/13.8 KV, que se encuentra ubicado en la
Subestación Eléctrica “Mina Uno”.
Los datos del transformador de potencia se muestran en la siguiente tabla:
MIU T-4
TIPO POTENCIAIMPEDANCIA
%Z
TENSION EN LOS
DEVANADOS
FRECUENCIA DE
OPERACIÓN
OA 12 000 KVA 9.02A.T. 110 000 V
B.T. 13 800 V60 HzFA1 FA1 16 000 KVA 12.02
FA2 FA2 20 000 KVA 14.96
TEMPERATURA DE
OPERACIÓNN° DE SERIE LTS. DE ACEITE NIVEL DE IMPULSO ONDA COMPLETA
55° C ELEVACION
DE TEMPERATURA
A 1000 MSNM
26-0453 12202ALTA TENSION
550 KV
BAJA TENSION
110 KV
PESO APROX. EN KG CONEXIÓN MARCA
TRANSFORMADOR 15876 ALTA TENSION DELTA IEM
TANQUE 13844 BAJA TENSION ESTRELLAFABRICADO EN
1982
LIQUIDO 10982
TOTAL 40702
El diagrama unifilar de protecciones de la subestación y del transformador MIU T-4 se muestran en las
siguientes figuras.
Diagrama Unifilar que muestra las protecciones del transformador de potencia MIU T-4 de la subestación
MINA UNO.
PROTECCION DIFERENCIAL
Cálculo de corrientes nominales del transformador.
BUS AUXILIAR 115 KV
BUS PRINCIPAL 115 KV
72041 72048
72040
51
MED
49
63
49X
86 87
51NT
51NTX
B2-13.8 KV
72049
52049 52048
52041
52040
NOTA: TODOS LOS NUMEROSLLEVAN ANTEPUESTO " MIU "
a) Selección de la relación de transformación de los Transformadores de corriente:
b) Cálculo de las corrientes secundarias de los TC´s:
c) Calculo de las corrientes de restricción de las bobinas del relevador:
IrH = IsH = 3.49 A
IrX = IsX = 7.23 A
Los TAPS deben seleccionarse de tal manera que la razón de TAPS sea lo más cercana
posible a la razón de las corrientes de retención. A continuación se muestra una tabla con valores
de razones de TAPS para el relevador General Electric tipo BDD.
d) Selección de los TAPS del relevador.
TAPX
2.9 3.2 3.5 3.8 4.2 4.6 5.0 8.7
TAPH
2.9 1.0 1.103 1.207 1.31 1.448 1.586 1.724 3.0
3.2 0.906 1.0 1.094 1.188 1.313 1.438 1.563 2.714
3.5 0.829 0.914 1.0 1.086 1.2 1.314 1.429 2.486
3.8 0.763 0.842 0.921 1.0 1.105 1.211 1.316 2.289
4.2 0.690 0.762 0.833 0.905 1.0 1.095 1.19 2.071
4.6 0.630 0.696 0.761 0.826 0.913 1.0 1.087 1.89
5.0 0.58 0.64 0.7 0.76 0.84 0.42 1.0 1.74
8.7 0.33 0.368 0.402 0.437 0.483 0.529 0.575 1.0
La razón de TAPS más cercana a la relación de corrientes (y la que minimizará el desbalance) es
de 2.071, por cual, procedemos a calcular el desbalance:
│2.07 – 2.071 │=0.001 (mínimo desbalance)
Por lo tanto la relación de TAPS será:
Y los TAPS seleccionados son los siguientes:
TAPX = 8.7
TAPH = 4.2
e) Selección de pendiente (sensitividad) del relevador.
Considerando el efecto del cambiador de TAPS del transformador de potencia (10 %):
M + LTC = (0.048 + 10) % = 10.048 %
Por lo tanto se puede usar el relevador General Electric tipo BDD de sensibilidad del 30%, puesto
que:
(M + LTC) < (M + LTC) lim
10.048 % < 15 %
PROTECCION INERTAIRE
El equipo de gas inerte es un sistema que asegura una larga vida de los aislamientos y un insignificante
deterioro del aceite, al eliminar el oxigeno y la humedad que se podría absorber al interior del transformador
cuando este sufre variaciones en la temperatura del aceite, manteniendo un acojinamiento de nitrógeno seco
por encima del aceite dieléctrico.
El nitrógeno se suministra a baja presión desde una válvula reductora y se alimenta automáticamente al
interior del transformador, siempre que la presión interna del tanque descienda a menos de 5.5 lb/plg 2. El
nitrógeno esta contenido en un cilindro de acero a una presión de 2000 lb/plg2.
LAS PARTES QUE COMPONEN AL EQUIPO DE GAS INERTE SON:
2 reguladores de presión de paso sencillo; uno que baja la presión del nitrógeno suministrado por el
cilindro a una presión de 2000 lb/plg2 hasta 125 lb/plg2 en el primer paso y de 125 lb/plg2 hasta la
que se desee inyectar y mantener en el interior del transformador en el segundo paso, pudiendo ser
variado y ajustado en un intervalo de 5 lb/plg2, según la aplicación que se le da al equipo de gas
inerte.
Un sistema de alivio en caso de sobre presión que se acciona cuando el aceite dieléctrico del
transformador sufre un incremento en su temperatura, provocando con esto un aumento en la
presión interna del tanque. Este sistema consta de 2 válvulas de alivio de presión, la primera de ellas
que alivia cuando la presión interna alcanza el valor de 6.5 lb/plg2, si la presión sigue aumentando la
segunda válvula aliviara a 8 lb/plg2.
Un manómetro con un rango de presión de 0 a 3000 lb/plg2 que indica la presión del nitrógeno
contenido en el cilindro de acero.
Un manovacuometro con un rango de presión de -10 a 10 lb/plg2, en el que se lee la presión del
transformador.
Un circuito de tres alarmas que se accionan cuando:
La presión del nitrógeno en el cilindro de acero baja entre 200 y 250 lb/plg 2 aprox. el 10% de su
capacidad total.
Cuando la presión en el interior del tanque del transformador alcanza el valor entre 8 y 8.5 lb/plg2.
Cuando se forma vacío entre -3 y -1.5 lb/plg2 (presión negativa en el interior del transformador) al dejar
que el contenido del nitrógeno en el interior del cilindro se vacíe por completo.
Una manguera diseñada especialmente para manejar altas presiones (2000 a 3000 lb/plg2), a la que
se le da un tratamiento adecuado para uso con nitrógeno.
Un juego de 2 mangueras que conectan el equipo de gas inerte con el interior del transformador.
INSTRUCCIONES PARA LA CALIBRACIÓN DEL EQUIPO
El quipo de gas inerte sale calibrado desde la fábrica con los siguientes valores
Regulador de presión No 1 (12)
Primer paso (regulación gruesa)
Entrada 2000 lb/Pulg2
Salida 125 lb/plg2
Regulador de presión No 2 (13)
Segundo paso (regulación fina)
Entrada 125 lb/pulg2
Salida 0.5 lb/Pulg2
Sistema de alivio de presión, segunda válvula (9) Primera válvula (8) a 6.5 lb/Pulg2
Segunda válvula (9) a 8 lb/Pulg2
Es recomendable que se verifique que esos componentes funcionen correctamente en cada cambio
del cilindro del nitrógeno.
Para una correcta calibración únicamente se deberán ajustar los reguladores de presión ( 12 y 13), la válvula
de alimentación (7) y la válvula de purga (6). No se recomienda que se muevan o accionen ninguno de los
componentes del equipo.
Las válvulas de alivio (8 y 9) se compone de un cuerpo cilíndrico las cuales ya vienen calibradas y no
hay necesidad de recalibrarlas.
CALIBRACIÓN DE LOS REGULADORES DE PRESIÓN (12 Y 13)
Gire las manivelas de reguladores de presión (12 y 13) en sentido contrario a las manecillas del
reloj para cerrarlos.
Abra la válvula de purga (4) para limpiar el equipo, hasta que el manovacuometro (11) marque
una presión de cero. Vuelva a cerrar la válvula de purga (4) perfectamente
Gire lentamente la manivela del regulador No 1 (12) en sentido de las manecillas del reloj
juntamente con la del regulador No 2 (13) para inyectar el nitrógeno al transformador, hasta que
el manovacuometro marque una presión de 0.5 lb/Pulg2 que es la presión recomendada para la
operación normal del transformador, dichos reguladores de presión (12 y 13) cuentan con una
tuerca que sirven para fijar la calibración de los mismos, apriételos una vez obtenida la
calibración deseada
Abra la válvula de alimentación (7) al transformador
COMPONENTES DEL EQUIPO DE GAS INERTE
1. gabinete
2. Puerta del gabinete
3. Tanque de sumidero
4. Válvula de purga
5. Tubo de cobre
6. Válvula d aguja para muestreo
7. Válvula de aguja para alimentación
8. Válvula de alivio calibrada a 6.5 lb/ pulg2
9. Válvula de alivio calibrada a 8 lb/ pulg2
10. Manómetro*
11. Manovacuometro*
12. Regulador de presión No 1, para el primer paso de regulación ( regulación gruesa)
13. Regulador de presión No 2 para el segundo paso de regulación (regulación fina)
14. Tablilla Terminal**
15. Terminal grip**
16. Válvula de alivio a 10 lb/ pulg2
17. Manguera de alta presión
18. Cilindro para el nitrógeno
NOTAS:
* - Estos accesorios llevaran contactos de alarma solo cuando el equipo sea para operación y embarque.
** -Estas partidas van solo cuando el equipo es para operación y embarque.
Las fotografías muestran la protección inertaire del transformador de potencia MIU-T4.
PROTECCION BUCHHOLZ
El relevador de gases buchholz tiene como función anunciar con anticipación la proximidad de una
falla interna del transformador; dicha falla es precedida por un daño gradual del aislamiento. Este relevador
es instalado como se muestra en la figura.
El relevador es intercalado en el tubo de comunicación entre el tanque principal y el tanque
conservador; además los tubos colectores de gases, recogen los gases de diferentes partes del
transformador y lo descargan en el relevador. Esta protección buchholz, opera en los casos siguientes
1. Por formación de gases causados por fallas interna incipiente del transformador, en cuyo caso
manda a activar una alarma
2. Por formación súbita de gases, ocasionados por fallas internas del transformador, en cuyo caso
manda la orden de disparo de la unidad
3. Por descenso excesivo del nivel de aceite en el tanque conservador del transformador, en cuyo caso
manda a disparar la unidad.
El relevador tiene dos mirillas que permiten apreciar el descenso del nivel de aceite en su cámara por
efecto de los gases que se van acumulando en su parte superior; l a mirilla superior esta graduada en cm 3,
para indicar de acuerdo con el nivel de aceite, el volumen de gas acumulado en la cámara del relevador.
Además cuenta con su dren para efectos de limpieza y con una válvula de paso en el tubo que comunica al
relevador con un colector instalado al alcance de la mano del personal.
Dentro de la cámara del relevador hay dos flotadores el superior (1) que cierra los contactos de
alarma y el flotador inferior (2) que cierra los contactos de disparo y que además tiene una paleta sensible a
las corrientes de aceite y de gas que pueden establecerse desde el tanque principal hacia el tanque
conservado, como resultado de una falla en el transformador. Al descender los flotadores hacen cerrar sus
respectivos contactos de mercurio, para enviar la señal de alarma o disparo.
El relevador opera en los tres casos siguientes:
1. El gas generado por la falla que apenas de inicia, se eleva hasta los tubos colectores de gases
del relevador, desplaza parte del aceite normalmente contenido en su cámara y baja su nivel de
aceite. La mirilla superior graduada en cm3, señala el volumen del gas acumulado, que es el
mismo volumen del aceite desplazado. Al acumularse el orden de 200 com3 de gas en la
cámara, el flotador (1) desciende lo suficiente para cerrar sus contactos y hacer sonar la alarma.
Por la mirilla superior se puede apreciar el volumen del gas atrapado, que es indicador de la
importancia de la falla.
2. Cuando se forman gases repentinamente en el tanque del transformador, desplazan mayor
volumen de aceite de la cámara del relevador, baja el nivel de aceite de manera que el flotador
(2), cierra sus contactos que mandan el disparo de la unidad. Lo mismo ocurre cuando hay una
corriente de aceite del transformador al tanque conservador, en cuyo caso el flotador (2)
desciende impulsado por la paleta.
3. También en caso de que el nivel d aceite descienda excesivamente en la cámara del relevador,
por efectos de fuga de aceite u otra causa, hará descender a los dos flotadores y el relevador
mandará primero la señal de alarma y después la de disparo.
De esta manera el relevador detector de gases, actúa cuando nace la falla, evitando daños mayores.
Por esto se concluye que el relevador detector de gases buchholz, protege al transformador contra fallas
internas incipientes, minimizando así los daños que se puedan ocasionar.
Cuidados de operación:
Al operar el relevador ya sea sonando la alarma o mandando el disparo, según lo requiera se
recomienda actuar como sigue
Ver el volumen de gas acumulado, para darse cuenta de la importancia del caso.
Observar el color del gas atrapado, que indica la procedencia de la falla, como sigue:
GAS BLANCO: Indica destrucción de papel aislante o cartón
GAS AMARILLO: Indica deterioro de piezas de madera
GAS NEGRO: Indica descomposición del aceite
GAS GRIS: Indica quemaduras en el fierro (núcleo)
GAS INCOLORO: Indica aire
En la siguiente figura se muestra la localización del relevador buchholz en un transformador de potencia.
RELEVADOR DE SOBRETEMPERATURA
ALARMABUCHHOLZ
FLOTADORES
TANQUE CONSERVA
DOR
TANQUE DEL TRANSFORMADOR
DISPAROBUCHHOLZ
La temperatura de operación de un transformador esta en proporción directa con la vida útil del
mismo, en general la temperatura no puede elevarse, durante largos periodos, arriba de 90 oC debido a que
se descompone el aceite aislante.
Las causas de la elevación de temperatura pueden ser:
Sobrecarga
Falta de enfriamiento
Flujos magnéticos fuera del núcleo
Corrientes parásitas en el núcleo
Falsos contactos
Fallas sostenidas
El transformador responde a la curva de daño que nos indica la característica tiempo-corriente para
daño del equipo. En general el transformador acorta su vida útil cada vez que sufre una sobre temperatura.
Se tienen diferentes pasos de operación del relevador térmico:
Arranque de enfriamiento (ventiladores a 60-65oC)
Arranque de enfriamiento (ventiladores segundo grupo o bombas de circulación de aceite a 70-80oC)
Alarma de alta temperatura (85-90oC)
Disparo de carga por alta temperatura a los 105-110oC
El relevador de sobretemperatura tiene como principio fundamental el ubicar dentro del equipo el
punto de máxima temperatura (hot point).
Dentro del mismo fijan elementos eléctricos, de diafragma o presión de gas para medir la
temperatura a través de carátulas similares a termómetros.
En el relé de temperatura se acostumbra utilizar una resistencia y una corriente proporcional a la
carga del transformador para simular el calentamiento del núcleo y devanados y compensar la enorme
inercia térmica de varios miles de litros de aceite aislante, logrando así una mejor imagen de la temperatura
del equipo.
120
30
100
140
70
40
50
8060
ALARMA ALTA TEMPERATURA
ARRANQUE DE VENTILADORES
DISPARO ALTA TEMPERATURA
PROTECCION POR APARTARRAYOS
Las descargas atmosféricas, maniobras y fallas, son la protección que ofrece el apartarrayos, este entra en
funcionamiento cuando el voltaje alcanza un valor más alto al voltaje nominal del transformador, entre los
límites inferior y superior del voltaje de cebado del apartarrayos, provocando una descarga a tierra de la
corriente que llega a él, limitando el voltaje aplicado al transformador.
Para seleccionar el apartarrayos, se considera el factor de conexión a tierra, el cuan valdrá 1.0, dado que la
conexión del neutro es flotante. El voltaje máximo en el transformador será cuando se conecte el cambiador
de derivaciones en la posición 1: 115.5 KV.
La corriente de descarga considera la impedancia de la linea la cual será de 400 Ohms y el BIL de la linea
que será de 860 KV.
Como el voltaje nominal del apartarrayos es de 115.5 KV y la corriente de descarga 4.5 KA, se selecciona un
apartarrayos de 121 KV y 5KA de corriente de descarga.
PROTECCIONES DE RESPALDO
DATOS DE ENTRADA
Se tiene como dato de entrada la impedancia en p.u. que tiene la línea de transmisión de 100 kv
R1=0.0063421
X1=0.04077
Z1=0.0063421 + j0.04077
Z1=0.04126 81.1580o
La corriente nominal en el primario calculada anteriormente es:
IH=104.97 A
CALCULO DE LA PROTECCION DE RESPALDO 51 H
Calculo de la corriente de corto circuito trifásico en 110 kv
Calculo de la RTC por carga
Calculo de la corriente de corto circuito en 110 kv
KVAbase=100000
Calculo de RTC por corto circuito
Se elije la RTC mayor que es 600/5
Calculo del tap
Calculo de las impedancias
Calculo de la corriente de corto circuito en 13.8 p.u.
Calculo de la corriente base en 13.8
Corriente referida a 13.8 kv
Corriente de corto circuito referida a 110kv
Calculo de la palanca
CALCULO DE LA PROTECCION DE RESPALDO 51T
Corriente nominal en 13.8=836.73ª
Calculo de la RTC por carga
Calculo de la RTC por corto circuito
Se elije la RTC mayor que es 1500/5=300/1
Calculo del TAP
Calculo de la palanca
CALCULO DE LA PROTECCION DE RESPALDO 51NT
Calculo de impedancias
Sec(+)
Zth=Z2=0.04126
Ztransf=0.748
Z1=0.04126+0.748=0.78926
Sec(0)
Zo=0.748
Calculo de corto circuito en 13.8 monofásico p.u.
Calculo de corto circuito en 13.8 trifásico p.u
Calculo de corto circuito en 13.8 monofásico en amp
Calculo de corto circuito en 13.8 trifásico amp
Calculo de RTC por corto circuito
Calculo del TAP
Calculo de la palanca