proyecto de grado - Universidad Tecnológica de Pereira

DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE SISTEMAS DE CONTROL DE
TRANSFORMADORES DE POTENCIA MEDIANTE LA UTILIZACION DEL
SOFTWARE “ELCad”.
JORGE EDUARDO PIÑEROS LOZANO
ESTUDIANTE INGENIERIA ELECTRICA
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERIAS
PROGRAMA INGENIERIA ELECTRICA
PEREIRA
2008
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DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE SISTEMAS DE CONTROL DE
TRANSFORMADORES DE POTENCIA MEDIANTE LA UTILIZACION DEL
SOFTWARE “ELCad”.
JORGE EDUARDO PIÑEROS LOZANO
Estudiante Ingeniería Eléctrica
DIRECTORES:
Msc. DIDIER GIRALDO B.
Docente del Programa de Ingeniería Eléctrica
HERNAN ESCARRIA
Ingeniero Electricista
Gerente Área de Ingeniería
Asea Brown Boveri (ABB PEREIRA)
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE INGENIERIAS
PROGRAMA INGENIERIA ELECTRICA
PEREIRA
2008
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INDICE
PARTE I, INTRODUCCION
1. Justificación
2. Definición del problema
2.1 Formulación del problema
3. Objetivos
3.1 Objetivo general
3.2 Objetivos específicos
PARTE II, DESARROLLO DEL TRABAJO
1. CAPITULO 1, Conceptos básicos y fundamentos sobre accesorios del
transformador
1.1 Tipos de fallas en los transformadores
1.1.1 Fallas externas
1.1.2 Fallas internas
1.2 Accesorios del transformador
2. CAPITULO 2, Fundamentos sobre circuitos de control de los
transformadores
2.1 Descripción de los principales circuitos en un sistema de control
2.1.1 Circuito de alimentación y protección general
2.1.2 Circuito de calefacción y servicios auxiliares
2.1.3 Circuito de control sistema de enfriamiento
2.1.4 Circuito de fuerza
2.1.5 Circuito de señalización
2.1.6 Circuitos de protecciones del transformador
2.1.7 Circuitos de monitoreo y sistemas electrónicos de protección
2.1.8 Sistemas de comunicación
3. CAPITULO 3. Introducción al ELCad desarrollo de bases de datos y
diseño de dispositivos de control en el ELCad
3.1 Desarrollo de las bases de datos y diseño de los dispositivos de
control
3.2 Bloque de designación del componente
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3.3 Bloque descripción técnica
3.4 Bloque material
3.5 Bloque de conexiones
3.6 Representación grafica del símbolo
3.7 Creación de conexiones en el símbolo
4. CAPITULO 4. Desarrollo de los circuitos de control con el software
ELCad. Ejemplo de la implementación de diseños.
4.1 diagramas de conexión
4.2 Diagramas de accesorios
4.3 Hojas de borneras
4.4 Listas de materiales e índice de planos
PARTE III, ANALISIS DE RESULTADOS,
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1. Análisis de resultados
2. Conclusiones y recomendaciones
PARTE IV, ANEXOS
BIBLIOGRAFIA
3
PARTE I
INTRODUCCION
4
1. JUSTIFICACION
La importancia de la implementación, se encuentra reflejada en el papel que juega el
diseño de control, ya que este determina la confiabilidad de operación que puede llegar a
tener el transformador, y la forma eficiente en que podemos monitorear y controlar los
factores relevantes en el mismo.
Adicionalmente se presentan ventajas a la hora de realizar los diseños de los sistemas de
control para los transformadores de potencia en la empresa ABB Colombia, por medio
del software especializado “ELCad”, como son, eficiencia del área de ingeniería, la
relación y satisfacción del producto que se realiza según las especificaciones del cliente,
mejora de los procesos de elaboración de diseños en la empresa resaltando los avances en
tiempos y costos, utilización de herramientas especializadas y avanzadas que permitirán
un mejor desempeño en el mercado; teniendo en cuenta el prestigio y reconocimiento de
una empresa como lo es ABB y en este caso ABB Colombia.
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2.
DEFINICION DEL PROBLEMA
En la sección de ingeniería de la empresa ABB Colombia, se realiza el diseño de
transformadores de potencia considerando variables como niveles de tensión, niveles de
potencia, factor BIL, temperaturas, etc. Entre los diseños que normalmente se ejecutan
esta el diseño de los sistemas de control de los transformadores. Este diseño pretende
controlar, monitorear y proteger el transformador de los diferentes factores que pueden
causar fallas, deterioros e incluso la destrucción del mismo debido a malas
manipulaciones o anomalías presentes en las subestaciones.
Los controles permiten monitorear factores como: la temperatura del transformador tanto
en el aceite como en los devanados, las presiones internas que se puedan generar, los
niveles de aceite y el control del conmutador bajo carga. Además estos elementos son la
base para la coordinación de protecciones no solo del transformador sino de las
protecciones de las subestaciones por medio del manejo de señales de alarmas y disparos.
El trabajo es realizado por los diseñadores teniendo en cuenta especificaciones del
cliente, funciones que debe desempeñar el transformador en su campo de acción, tiempos
de elaboración de diseños, costos de construcción y resultados óptimos y eficientes.
Esta tarea en la empresa es realizada por medio del outsourcing o la sobrecarga de trabajo
a personal competente en este campo, lo que implica costos, demoras y problemas
logísticos y de diseño a la hora de responder con los acuerdos realizados por la empresa y
el cliente.
2.1 Formulación del problema
Definición
Pregunta de investigación.
¿Cómo podemos mejorar el desarrollo de sistemas de control en transformadores de
potencia para la empresa ABB Colombia por medio del software especializado “Elcad”?
Debido a los factores enunciados anteriormente el problema radica en la carencia de un
esquema de diseño que permita mejorar los sistemas de control con el fin de enriquecer
los procesos que esta tarea involucra a la hora de la producción de transformadores de
potencia.
Sistematización del problema
Subpreguntas de investigación
¿Cómo disminuir la relación tiempo-costo en la elaboración de diseños de sistemas de
control?
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¿Cómo cumplir con las necesidades de diseño para los sistemas de control teniendo en
cuenta las especificaciones del transformador y el cliente?
¿Cómo obtener desarrollos en el área de control e instrumentación de transformadores de
potencia para el área de ingeniería especialmente en la empresa ABB Colombia?
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3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo general
Desarrollar una metodología de diseño de sistemas de control de transformadores de
potencia en la empresa ABB Colombia, basado en el software especializado “ELCad”
3.2 Objetivos específicos
Justificar la utilización de software especializado “ELCad” para el desarrollo de los
sistemas de control, teniendo en cuenta las situaciones actuales con las que se trabaja en
la empresa ABB Colombia.
Diseñar estándares básicos para los sistemas de control que permitan la optimización de
recursos y de tiempo en la producción de transformadores de potencia.
Describir el proceso con el cual se realiza el diseño de los sistemas de control para
transformadores de potencia mediante la utilización del software especializado “Elcad”.
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PARTE II
DESARROLLO DEL TRABAJO
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CAPITULO 1
CONCEPTOS BASICOS Y FUNDAMENTOS SOBRE ACCESORIOS DEL
TRANSFORMADOR
El transformador es un elemento fundamental en los grandes sistemas de potencia que
permiten la utilización de la energía eléctrica como medio de satisfacer las necesidades
presentes en la sociedad. Por tal razón su diseño y construcción representa una tarea
compleja y muy confiable.
Debido a su importancia y a la gran vulnerabilidad que presentan estos elementos en el
sistema de potencia, estos deben poseer un sistema de control que permita la protección y
el buen accionar tanto en operación normal como en un estado anómalo del sistema. Los
transformadores están sometidos a numerosas sobrecargas eléctricas externas que pueden
provenir de redes de transmisión o de distribución, las consecuencias de un posible fallo
pueden ser muy graves tanto por su costo como en las perdidas de utilización al
presentarse una interrupción del suministro de energía eléctrica, por lo tanto, los
transformadores, por una parte, deben de estar protegidos contra las agresiones de origen
externo y por otra, en caso de defecto interno, deben de poder separarse de la red.
Estas posibles acciones que deben asumirse por parte de los manejadores de las redes y
de los sistemas de potencia, están soportadas de acuerdo a la coordinación y a la reacción
oportuna que poseen los sistemas de control de los transformadores y sus elementos de
protección, en función de los criterios de continuidad y de calidad del servicio, de costos
de inversión y explotación, de seguridad de bienes y de personas así como del nivel de
riesgo admisible.
El termino sistema de control del transformador se asocia a la capacidad de poder enviar
las señales necesarias para la acción de desconexión del transformador con la red cuando
se presenta un comportamiento de fallo, o el de ejercer un sistema de monitoreo continuo
de las diferentes variables que operan en el transformador en operación normal. Estas
características obligan a los sistemas de control a presentar una autonomía y una
coordinación que permita garantizar el buen funcionamiento del mismo y del sistema de
potencia.
Algunas de las razones de la presencia de los sistemas de control y los accesorios de
protección de los transformadores son:
•
•
•
•
Limitar el peligro en el transformador cuando se encuentra en situación de fallo.
Minimizar la posibilidad de fuego en el transformador.
Minimizar los riesgos de personal técnico en la manipulación del transformador.
Minimizar el peligro de destrucción en elementos de ALTO VOLTAGE.
10
1
La elección de las protecciones se hace en función de la tecnología del transformador, de
los tipos de cargas que alimentan y sobre todo del entorno en que trabajan. La definición
de protecciones del transformador obedece tanto a medidas preventivas como medidas
curativas dependiendo de los procesos de mantenimiento y de planeacion que se tengan
en el manejo de los sistemas de redes de energía eléctrica especialmente en las
subestaciones.
Los sistemas de control poseen elementos propios como son reles, contactores,
interruptores termomagneticos, etc., y elementos asociados los cuales comprenden cada
uno de los accesorios de los transformadores como es el rele de Buchholz, los
termómetros de temperatura del aceite y de los devanados, Indicadores de nivel, Válvulas
de sobrepresión, Reles de presión, etc. Cada uno de estos elementos que comprenden el
sistema de control posee características como son alta velocidad y alta sensibilidad que
reducen de manera considerable las situaciones de peligro y reducen los costos de
mantenimiento y reparación.
Una singularidad presente en estos sistemas es que en muchos casos no son estándar los
accesorios y los circuitos, esto debido en gran parte a las diferentes aplicaciones y
características de los transformadores. Usualmente los circuitos son técnicamente
flexibles, variando en grados de sensibilidad, velocidad y selectividad.
2
Para realizar una selección equilibrada teniendo en cuenta estos factores y factores
económicos que son muy importantes a la hora de diseñar y elaborar una propuesta de
protección se deben tener en cuenta lo siguiente:
•
•
•
•
•
Costo de reparación.
Costo de pérdida de producción.
Efectos adversos en el balance del sistema
Propagación de daños por equipos adyacentes
Periodos de inhabilidad por daño de los equipos
Las soluciones aplicadas son siempre un compromiso entre estos diversos criterios,
siendo muy importante que el compromiso de equilibrio adoptado entre ventajas e
inconvenientes esté perfectamente identificado.
Cuando se realiza el diseño de los circuitos de control y la coordinación de las
protecciones se busca limitar las consecuencias de un fallo o situación anómala por lo
tanto se adopta una filosofía en la cual primero se encuentra una protección contra el
riesgo de explosión, posteriormente se controla una variable importante en los
transformadores la cual es su temperatura, ( especialmente las temperaturas cuando se
encuentra exigidos debido a esfuerzos de cargabilidad ) y finalmente la naturaleza de las
cargas a las cuales están respaldando.
1
Protección de los transformadores de los centros de transformación MT/BT. Schneider electric. Cuaderno
técnico n 192.
2
IEEE Guide for protective relay applications to power transformers. IEEE std. C37.91-2000
11
Para proteger los transformadores, las protecciones deben actuar en el momento en que se
presenta una falla, al no actuar se puede presentar un daño considerado el cual se ve
reflejado en un costo alto de mantenimiento y de reparación. Adicionalmente cuando la
falla no se aclara por la protección del transformador, se presentan desconexiones de las
líneas transmisión o desconexiones ocasionadas por protecciones que aguas arriba o
aguas abajo pueden operar. La evaluación del tipo de protección que debe ser utilizada en
un transformador debe considerar la integridad con el sistema al cual esta conectado y las
consecuencias que se pueden presentar si estas no operan correctamente en una situación
anómala.
Tipos de fallas en los transformadores
Los efectos eléctricos presentes en los devanados y los magnéticos presentes en el núcleo
están sujetos a un número diferentes de fuerzas durante la operación, por ejemplo:
•
•
•
•
•
Expansión y contracción por el ciclo térmico.
Vibración.
Calentamiento local por el flujo magnético.
Impacto de fuerzas ocasionadas por fallas de sobrecorriente.
Excesivo calentamiento debido a sobrecarga o función inadecuada del sistema de
refrigeración.
Estas fuerzas pueden causar deterioro y por consecuente falla en los aislamientos de los
devanados del transformador. Al presentarse estas deficiencias en los aislamientos del
transformador se empiezan a generar situaciones que finalmente llevan a que se produzca
una falla, con el fin de poder detectar estos cambios en el transformador existe una serie
de accesorios que permiten no solo monitorear sino realizar maniobras en las cuales se
evita la destrucción de la parte activa (bobinas, núcleo, conmutadores, etc.) o de
elementos externos al transformador (aisladores, tanques de expansión, pararrayos, etc.).
Los sistemas de control de los transformadores monitorean parámetros en el
transformador usando la indicación de accionamientos que reaccionan ante situaciones de
fallo, por ejemplo:
•
•
Monitores de temperatura de devanados y de aceite los cuales son típicamente
usados en alarmas que permiten la revisión del personal con el fin de realizar el
mantenimiento respectivo.
Detección de gases ocasionados por el aceite del transformador, el análisis de la
composición de gases detecta la cantidad de estos como lo es el acetileno. Este
análisis es usado no solo como alarma sino también como disparo para las
protecciones del transformador, generalmente el análisis de gases recoge una
muestra periódicamente de las características del aceite, adicionalmente algunos
sistemas recogen información acerca de la humedad interna del transformador y
del grado de hidrogeno presente en el mismo.
12
•
•
Monitores de presión los cuales están constituidos por reles o válvulas que se
accionan a la hora de un aumento de presión debido a la presencia de gases
derivados del aceite.
Detectores de nivel que sensan el nivel del aceite del tanque estos son usados
como alarma ya sea por un nivel alto o un nivel inferior del aceite y como disparo
cuando el nivel inferior es crítico.
En conjunto las fallas presentes en la parte activa del transformador están directamente
relacionadas con los factores enunciados anteriormente, por lo tanto al sensar y controlar
estas características obtenemos un sistema de control para el transformador.
Un ejemplo de las consecuencias que se pueden llegar a tener debido a una mala
supervisión de estas variables se encuentra en la siguiente tabla la cual es un estudio de
fallas que se presentan en los transformadores.
3
Tabla 1. Summarizes failure statistics for a broad range of transformer failure causes reported by a group
of U.S. utilities over a period of years.
Los transformadores están expuestos a fallas internas o externas provocadas por
diferentes situaciones a continuación se resaltan algunas de ellas teniendo en cuenta la
procedencia de la falla.
Fallas externas:
En el funcionamiento normal de un transformador y en el transcurso de su vida útil esta
sometido a maniobras de desconexión y conexión las cuales provocan que se genere una
tensión de conexión con un gran flujo remanente, lo que produce corrientes de conexión
especialmente elevadas. Puesto que el amortiguamiento de las corrientes de conexión
3
IEEE Guide for protective relay applications to power transformers. IEEE std. C37.91-2000
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depende de las características magnéticas del transformador (principalmente sus pérdidas
por histéresis), la presencia de una carga influye poco en su comportamiento. La
conexión se efectúa generalmente con las cargas conectadas. Si éstas presentan
fenómenos transitorios, hay que tener en cuenta su comportamiento global.
Las corrientes de enganche obligan a los dispositivos de supervisión (relés y captadores
de corriente asociados, fusibles,...) a incorporar la noción de temporización para no
provocar actuaciones intempestivas.
Los transformadores también están sometidos a tensiones transitorias que provienen de
las redes a las que están conectados. Estas sobretensiones tienen su origen o bien en las
descargas de rayo, directas o inducidas, sobre las redes MT o BT o bien en las de
transmisión.
Cuando se realiza un corte en la tensión mediante el dispositivo correspondiente situado
inmediatamente aguas arriba, el conjunto formado por el transformador, el aparato de
corte y el circuito de alimentación producen sobretensiones que provocan sobreesfuerzos
dieléctricos en el transformador. Estos sobreesfuerzos producen un envejecimiento
prematuro o incluso pueden producir, en ese mismo momento, un defecto de aislamiento
entre espiras o entre éstas y masa.
Los criterios de severidad de las sobretensiones que han de soportar los transformadores
son ante todo y evidentemente, el valor de cresta, pero también la velocidad de variación
de la tensión (frente de subida, o de descenso en caso de un cebado próximo «onda
cortada») que lleva a un reparto desigual de los esfuerzos en los arrollamientos
provocando el que se sobrepase la rigidez dieléctrica entre espiras aunque el valor de
cresta entre los bornes del arrollamiento primario no sobrepase los valores admisibles.
Los defectos internos provocados por las sobretensiones se presentan de estas diferentes
formas:
•
Defectos de aislamiento entre espiras de un mismo arrollamiento (que es el caso
más frecuente).
•
Defectos de aislamiento entre arrollamientos.
•
Defectos de aislamiento entre un determinado arrollamiento y una parte
conductora próxima (núcleo o cuba).
Otro fenómeno que se presenta son los calentamientos admisibles en las diferentes partes
de un transformador, lo cual corresponde a un funcionamiento permanente, teniendo en
cuenta los valores límites de calentamiento que indican las normas, puesto que éstas ya
cuentan con el envejecimiento normal de los aislantes.
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Una intensidad de corriente de valor superior al valor asignado corresponde a un
funcionamiento con sobrecarga. Una situación de sobrecarga mantenida implica que se
sobrepasan los calentamientos en ciertos puntos del transformador (según su
construcción) y, si además la temperatura ambiente es elevada, provocará que se
sobrepasen las temperaturas admisibles.
Sin embargo, en condiciones de funcionamiento anormales o excepcionales, se admite el
sobrepasar también los límites, aunque sea en detrimento de la esperanza de vida del
transformador. Esto puede ser preferible a una interrupción del servicio provocada por un
aumento transitorio de la potencia solicitada.
Falla internas:
Las fallas entre espiras de la bobina son las más frecuentes y a la vez las más difíciles de
detectar. Son fruto de una degradación local del aislamiento del conductor, por
sobreesfuerzos térmicos o dieléctricos. La manifestación inmediata se reduce a un
pequeño aumento de la corriente primaria, debido por una parte a la modificación de la
razón de transformación y por otra a la aparición del fenómeno de espiras en cortocircuito
en la bobina afectada. Esta espira bajo falla se comporta como una bobina secundaria
dando origen a una corriente que sólo está limitada por su impedancia propia y por la
resistencia en el punto del fallo.
Según la corriente que circule por esta espira, la evolución de la falla será más o menos
rápida. En caso de una corriente importante el calentamiento local provocará el deterioro
de las espiras próximas y el defecto se extenderá rápidamente. El orden de magnitud
corresponde aproximadamente a 100 veces la corriente asignada, o sea, aproximadamente
1 kA para la bobina primaria de un transformador de 400 kVA a 20 kV. En todos los
casos, la presencia de un arco local provocará un desprendimiento de gases, tanto si el
transformador es seco o de inmersión. Esta aparición de gases puede provocar un
importante aumento de la presión, hasta la ruptura del elemento (cuba o aislante sólido).
Por otro lado se tienen las fallas entre bobinas las cuales son poco frecuentes pero pueden
dar lugar a corrientes de falla elevadas, hasta corrientes de cortocircuito de red en casos
de fallas junto a los bornes, con manifestaciones muy importantes. Ciertas localizaciones
particulares, como defectos entre bobinas próximas a las conexiones de punto neutro de
un acoplamiento en estrella, se parecen a un defecto entre espiras porque los puntos que
entran en contacto no tienen tensiones muy diferentes.
Las fallas entre bobinas y masa tienen su origen más frecuente en la perforación del
aislamiento como consecuencia de una sobretensión. Sin embargo, también pueden ser
consecuencia de fallas de tipo mecánico o debido a la evolución de un fallo eléctrico. Las
características de una falla masa, así como las posibilidades de diagnóstico dependen del
modo de puesta a tierra de la red de alimentación y de la ubicación de la falla en el
transformador. Una parte significativa de estas fallas afecta a la masa del transformador,
y por tanto a tierra. Por consiguiente, es útil una protección contra fallos a tierra. En
condiciones normales la corriente a tierra será nula (salvo en las redes con neutro a tierra
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y distribuido); esta protección puede ajustarse a un valor bajo, por ejemplo 10% de la
corriente asignada con una temporización de 100 ms.
A continuación se presenta una tabla con una síntesis de las fallas y sus consecuencias
4
Tabla 2. Todos estos tipos de fallos, si no son corregidos en su fase inicial, evolucionarán hacia una
generalización que afectará a diversas bobinas y podrán manifestarse de forma violenta reventando la cuba,
explotando las bobinas y tal vez provocando un incendio.
Debido a estas fallas que se presentan en los transformadores, existe una serie de
accesorios que permiten controlar estos fenómenos y lograr que los daños en el
transformador no sean considerables.
4
Protección de los transformadores de los centros de transformación MT/BT. Schneider electric. Cuaderno
técnico n 192.
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Accesorios del transformador
El transformador posee una serie de accesorios los cuales se encargan de protegerlo
teniendo en cuenta varios factores que pueden ocasionar grandes daños a la parte física
del mismo.
Estos accesorios actúan ante cambios como lo son las temperaturas internas del
transformador, variaciones de los niveles del refrigerante que posea internamente,
variaciones de presiones, presencia de gases y humedad, etc.
Relé de buchholz
La presencia de gas al interior de un transformador sumergido en aceite es siempre señal
de una anomalía de funcionamiento. Puede ocurrir por:
• La descomposición de aislantes sólidos o líquidos al interior del transformador, causada
por unos sobrecalentamientos o por arcos eléctricos;
• La interacción con el medio ambiente exterior, a través de las bombas de circulación;
• Desde el interior del transformador, en caso de que no se someta el dieléctrico a una
desgasificación esmerada antes de la puesta en marcha del aparato.
El flujo excesivo de aceite, especialmente en las tuberías que van dirigidas hacia el
conservador, se forman como consecuencia de unos cortocircuitos o de fuertes arcos
eléctricos interiores, que pueden dañar o perjudicar el funcionamiento del transformador.
Estos flujos pueden ocasionar el goteo de aceite desde la caja del transformador y así
causar graves daños por la contaminación del medio ambiente y, en el peor de los casos,
hasta determinar el comienzo de un incendio.
Cuando hay formación de gas en el transformador, las burbujas tienen que encauzarse,
como consecuencia del correcto planteamiento del transformador en la tubería que lleva
al conservador. Las burbujas se “acumulan” al interior del relé BUCHHOLZ, en su parte
superior, haciendo bajar el nivel del aceite y consecuentemente el primer flotador (o
flotador superior), con el consiguiente accionamiento del interruptor de alarma. En caso
de que se forme gas continuamente, el mismo pasa sin obstáculos en la tubería colocada
inmediatamente aguas abajo del relé hacia el conservador. En caso de que siga
aumentando el volumen de gas y/o haya goteo de aceite, baja el flotador inferior (o
segundo flotador), y antes de que el relé se vacíe por completo se acciona el interruptor
de desenganche (disparo). Este fenómeno ocurrirá sólo cuando haya salido todo el aceite
que se encontraba al interior del conservador.
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Grafico 1. Ilustración partes rele de buchholz, tipos de reles de buchholz.
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Dispositivo de toma de muestra de gas
Como es bien conocido, la presencia de gas en un transformador sumergido en aceite es
siempre una señal de funcionamiento anormal y el relé Buchholz tiene la tarea de señalar
su existencia. Por consiguiente, puede ser que haga falta analizar químicamente los
eventuales gases, ya sea para averiguar su peligrosidad como para intentar localizar su
origen sin tener que desconectar el transformador. Desgraciadamente, el relé Buchholz
está colocado cerca de piezas bajo tensión del transformador y por consiguiente resulta
imposible tomar el gas directamente del relé sin desconectar el transformador mismo.
Además, su colocación hace imposible acceder al mismo desde el suelo.
El dispositivo de toma gas tiene la tarea de remediar este inconveniente.
Grafico 2. Ilustración partes del dispositivo de toma de muestra de gas, instalación.
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Válvula de sobrepresión
Se utiliza como accesorio de protección, su función se lleva a cabo cuando dentro del
transformador se produce una falla de corto circuito, el arco eléctrico vaporiza
instantáneamente parte del líquido aislante, produciendo con ello una súbita sobrepresión
dentro del tanque. Si esta sobrepresión formada no se libera en forma adecuada en un
corto tiempo, el transformador podrá explotar y esparcir el líquido contenido dentro de él,
causando serios daños al medio que lo rodea. Con estos dispositivos se tiene una
respuesta de fracción de segundo para liberar las sobrepresiones en el transformador,
conmutador, etc. El relevador mecánico de sobrepresión es una válvula que se acciona
con resortes calibrados, de tal manera, que al comenzar a incrementarse la presión interna
en el tanque, éste empieza a ceder la presión y el diafragma actúa abriéndose súbitamente
dejando escapar las presiones peligrosas. Cuando el relevador opera, un perno indicador
saldrá de la parte superior, señalizando la operación de la válvula. Este perno se
restablece oprimiéndolo suavemente hacia el interior de la cubierta y queda listo para la
siguiente operación.
Grafico 3. Ilustración partes Válvula de sobrepresión.
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Grafico 4. Ilustración válvula de sobrepresión.
Rele de presión súbita
Utilizado para proteger el transformador de fallas internas mediante la detección de
cambios súbitos de presión.
Debido a la formación de arcos internos en el aceite del transformador, los cuales
generan presiones excesivas de gas que pueden dañar severamente el equipo y presentar
peligro al personal de funcionamiento externo (operadores). El relé de presión súbita, se
instala en el transformador, aminorando la posibilidad de tal ocurrencia discerniendo las
tasas del aumento de la presión por encima de los límites seguros establecidos por el
fabricante de transformador. Cuándo tales condiciones se experimentan, iniciará una
señal eléctrica para la operación del interruptor que desenergiza el transformador e
instituye una alarma si es deseada.
En el diseño del rele se considera la no actuación de ellos bajo las siguientes
circunstancias variaciones normales de presión causadas por el cambio de la temperatura,
por la vibración, por el golpe mecánico, ni por oleadas de una bomba (refrigeración con
aceite forzado). El relé puede ser montado en el transformador, ya que puede soportar
pleno vacío o 20 psi de presión positiva sin sufrir daño.
21
Grafico 5. Ilustración rele de presión súbita.
Indicadores de niveles de aceite
Los indicadores de nivel, son utilizados con gran eficacia para controlar variaciones de
volumen de líquidos en formas visuales, eléctricas o ambas. Algunos tienen por principio
de funcionamiento una transmisión magnética, efectuada por imanes permanentes
opuestos, separados herméticamente y accionados por un fluctuador acoplado a una
barra. Este tipo de construcción garantiza una perfecta estanqueidad del equipo y
posibilita su uso en serias condiciones, sin afectar su parte activa o los contactos.
En transformadores donde las variaciones de carga influyen directamente en el volumen
del aceite, son instalados en su conservador de expansión o directamente en la cuba
principal (transformadores sellados). En esta aplicación poseen una referencia de
volumen de aceite en torno a 25°C, que orienta al usuario al nivel apropiado de llenado
del aceite a temperatura ambiente. De esta forma, también los marcadores de máximo y
mínimo corresponden a los respectivos volúmenes en las temperaturas correspondientes
admisibles por el proyecto del transformador, pudiendo ser, por lo tanto una protección
térmica adicional.
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Grafico 6. Ilustración tipo de niveles de aceite.
Rele de flujo
El relé de protección está previsto para proteger el cambiador de un defecto en el
compartimiento de aceite del ruptor o cuerpo insertable, o en el recipiente de aceite del
selector bajo carga. El relé reacciona cuando, debido a un fallo, el flujo de aceite es
provocado a circular desde la cabeza del cambiador de tomas hacia el conservador de
aceite sobrepasando el valor establecido. Este flujo de aceite actúa sobre la clapeta y la
hace bascular a la posición de desconexión. Esto hace que se accione el contacto
magnético encapsulado de gas inerte, se desenganchen los interruptores de potencia y se
desenergice el transformador. El funcionamiento del relé no se puede producir por las
conmutaciones cuando éstas se efectúan bajo carga nominal o bajo sobrecarga admisible.
Grafico 7. Ilustración rele de flujo.
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Indicación de la temperatura
Los termómetros son instalados normalmente para la medida de la temperatura del aceite
en la parte superior del transformador y la indicación del punto caliente de los devanados.
La temperatura del aceite en la parte superior del transformador puede ser medida
directamente por un sensor ubicado en la tapa del tanque. Para la indicación remota de
esta temperatura se puede usar un PT 100 el cual seria un sensor del termómetro o una
señal de corriente.
La medida de la temperatura del devanado es llevada a cabo en una manera indirecta. El
punto caliente del devanado es asumido en la parte superior del mismo donde esta
rodeado por el aceite que se encuentra en la parte superior del transformador. El gradiente
de temperatura entre la temperatura del aceite y la temperatura del devanado dependen de
las pérdidas en el devanado, las cuales corresponden al cuadrado de la corriente. El
termómetro por lo tanto mide la temperatura superior del aceite y le agrega la diferencia
de temperatura del devanado y el aceite circundante.
El termómetro de devanados esta configurado como un sensor dentro de un reóstato
sumergido en el aceite que se encuentra en la parte superior. Un transformador de
corriente, que refleja la corriente del devanado, alimenta el reóstato. Una graduación a
través del reóstato es ajustada para dar una contribución de la temperatura iguala al
gradiente de temperatura del devanado el cual es calculado o medido durante una prueba
de calentamiento.
Para medir la temperatura del aceite se utiliza el método que consiste en sumergir el
bulbo del termómetro en un termopozo. La temperatura de los devanados depende de la
carga del transformador (es decir; de la corriente existente en el devanado) y de la
temperatura del medio de refrigeración (el aceite). Se miden estos dos parámetros y se
interrelacionan en el indicador.
Debido a que los devanados están conectados a alta tensión, no es posible medir la
temperatura de los devanados directamente. La indicación de la temperatura del devanado
se obtiene simulándola mediante una resistencia de calentamiento conectada a un
transformador de corriente (Imagen Térmica).
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Grafico 8. Ilustración indicadores de temperatura (aceite y devanados).
Transformadores de corriente
Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea
y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos,
aparatos de medida u otros dispositivos de medida y control. De esta manera, se evita la
conexión directa entre los instrumentos y los circuitos de alta tensión, que seria peligroso
para los operarios y requeriría cuadros de instrumentos con aislamiento especial.
También se evita utilizar instrumentos especiales y caros, cuando se requieren medir
corrientes intensas.
Los transformadores de corriente pueden tener las siguientes funciones:
•
•
TC de medida: esta destinado a alimentar los instrumentos de medida como
indicadores, registradores, integradores, contadores, relés y otros aparatos
análogos. Dentro de este tipo de tc’s se encuentran los de medición, imagen
térmica y los de regulación.
TC de protección: destinado a alimentar relés de protección (relé diferencial). Se
pueden encontrar internos y externos (ej: protección de la cuba).
Existen diferentes tipos de transformadores de corriente, en nuestro caso los que
utilizamos son los de tipo toroidal, tienen un devanado secundario totalmente aislado y
montado permanentemente sobre el circuito magnético (nucleo) y una ventana a través de
la cual puede hacerse pasar un conductor que proporciona el devanado primario.
25
Grafico 9. Ilustración transformador de corriente tipo toroide.
Respirador de silica gel
Es necesario para excluir la humedad del espacio de aire encima del nivel del aceite del
conservador, para mantener la sequedad del aceite del transformador. Este espacio es
deshumificado por un dispositivo que contiene un agente de secado generalmente silica
gel. La propiedad del gel es su alto poder de absorción de humedad.
Grafico 10. Ilustración tipo de respiradores de silica gel.
26
CAPITULO 2
FUNDAMENTOS SOBRE CIRCUITOS DE CONTROL DE LOS
TRANSFORMADORES
Los transformadores gracias a todos sus accesorios de protección y de monitoreo deben
de estar en la capacidad de recoger señales con el fin de poder realizar la tarea de
coordinación y de control necesarias para su buen funcionamiento, teniendo en cuenta, el
enlace que se tiene que realizar con los diferentes elementos presentes en las
subestaciones y finalmente con aquellos que manejan los sistema de transmisión.
Por esta razón es necesario el diseño de circuitos de control, los cuales cumplen diversas
funciones que permiten tener de una manera más organizada y con una filosofía adecuada
todos los parámetros que evitan situaciones de falla o riesgo en los transformadores.
Los sistemas de control y sus circuitos se diseñan y están definidos por las características
eléctricas (Potencia, nivel de tensión, niveles de aislamiento) y mecánicas (tanque de
expansión, conmutador bajo carga, bujes) del transformador, estos pueden manejar
sistemas como son el de enfriamiento los cuales permiten que los agentes aislantes
presentes en el transformador como es el aceite dieléctrico, el aire o el agua puedan
mantenerse a unas temperaturas de trabajo con el fin de no permitir un calentamiento
excesivo que se ve reflejado en perdidas en el transformador, sistemas de regulación de
tensión por medio de los conmutadores con o sin carga, sistemas de mantenimiento y
monitoreo en línea (análisis de gases en el transformador, análisis de cargabilidad,
análisis de vida útil de contactos del conmutador con carga o bujes, puntos calientes
conocido como hot spot, etc.), sistemas de protecciones que permiten el accionar de estas
tanto en los transformadores como en la subestación y finalmente en sistemas de potencia
grandes permitir el enlace y la coordinación con un centro de control el cual esta en un
constante monitoreo del sistema remotamente.
Todos estos circuito son alojados en un gabinete de control el cual es considerado un
accesorio mas del transformador y se encuentra adosado al tanque, este gabinete o celda
debe cumplir con unas especificaciones especiales que permitan el buen funcionamiento
de los elementos que se encuentran en su interior, entre las especificaciones se
encuentran, acabados de pintura que no permitan que los elementos y el mismo gabinete
sufran las inclemencias de los ambiente a los cuales esta sometido el transformador,
niveles de aislamientos reglamentados, protección grado IP (IEC) o NEMA (ANSI)5 los
cuales aseguran la hermeticidad del gabinete y estándares de seguridad para el personal
que manipula este accesorio.
5
Normas de protección en gabinetes y celdas ver IEC 60034-6. Rotating electrical machines - Part 5:
Degrees of protection provided by the integral design of rotating electrical machines (IP code) Classification.
27
Descripción de los principales circuitos en un sistema de control
Circuito alimentación y protección general
Los elementos utilizados en los circuitos deben funcionar a unos niveles de tensión que
están determinados por los circuitos de alimentación auxiliar presentes en las
subestaciones, normalmente se utiliza un circuito de corriente alterna y uno de corriente
continua, la alimentación auxiliar de corriente alterna con circuitos pequeños presentes en
las subestaciones con niveles de tensión en el orden de los 208 - 120 V, la alimentación
auxiliar de corriente continua esta soportado por los bancos de baterías los cuales
habitualmente están en el orden de los 125 V (los niveles de tensión tanto en corriente
alterna como en continua son característicos de las zonas en que serán instalados los
transformadores presentándose grandes diferencias cuando se instalan en diferentes
nacionalidades).
La funcionabilidad de los circuitos de alimentación se ve reflejada en permitir el accionar
o el funcionamiento de sistemas de calefacción, sistemas de iluminación, transferencias
de potencia, sistemas de control en los cuales encontramos reles, contactores, bobinas,
temporizados, selectores y en el suministro de tensión para elementos como lo son los
motores de los ventiladores, los motores del sistema de conmutación para la regulación
de tensión, fuentes de conversión de niveles de tensión, anunciadores de alarmas,
reguladores de tensión automáticos, indicadores de temperaturas, etc.
En el diseño del circuito de alimentación se deben tener en cuenta la capacidad de carga
que va a soportar el sistema de alimentación auxiliar de la subestación y se determina los
rangos para las protecciones de cada uno de los circuitos que dependen de el, por tal
razón cada circuito necesario para el funcionamiento de todos los elementos y accesorios
del transformador debe poseer una protección independiente, esta protección se logra a
través de interruptores termomagneticos los cuales permiten aislar los circuitos que por
alguna razón presenten una falla, los interruptores termomagneticos permiten proteger los
circuito de corrientes de corto circuito y de sobrecargas. Lo importante a tener en cuenta
en estas protecciones es seleccionar los niveles de corriente adecuados dependiendo de la
carga que se encuentre aguas abajo de el. En algunos casos se utilizan supervisores de
tensión los cuales monitorean los niveles presentes en los circuitos principales de
alimentación accionándose ante situaciones de sobre o bajo voltaje tanto para corriente
alterna como continúa.
28
Grafico 11. Circuito de alimentación y protección general.
Con este circuito estamos asegurando el suministro de tensión necesaria para que los
demás sistemas de control funcionen de forma correcta. Adicionalmente los interruptores
termomagneticos poseen contactos auxiliares los cuales dan una señal de alarma o de
advertencia en la subestación, esta función se logra con una serie de contactos secos los
cuales se accionan ante un estado de falla en el circuito.
En los circuitos de alimentación también se encuentran transferencias las cuales permiten
el cambio de una alimentación auxiliar principal a una de respaldo y viceversa, la
transferencia se logra utilizando reles temporizados y contactores.
Grafico 12. Circuito de alimentación con transferencia.
Aguas debajo de las protecciones presentes en circuito de alimentación se desprenden
cada uno de los circuitos que cumplen con las funciones protección y monitoreo en el
transformador.
29
Circuito de calefacción y servicios auxiliares
Este circuito esta diseñado con el fin de garantizar condiciones adecuadas dentro del
gabinete de control, los elementos en general funcionan a ciertos niveles de temperatura y
no deben estar expuestos a ciertos grados de humedad, por esa razón se disponen de un
circuito el cual esta constituido por una resistencia calefactor la cual disipa calor con el
fin de impedir la condensación de agua dentro del gabinete, esta resistencia es controlada
por medio de un higrostato o termostato lo cuales dependiendo del grado de humedad y
temperatura permiten el paso de corriente a través de la resistencia, el sistema es sencillo
pero evita grandes problemas a la hora de un funcionamiento continuo de los equipos,
como servicio auxiliar se encuentra un circuito de iluminación el cual permite que el
personal tenga acceso al interior del gabinete de control con las mejores condiciones, esto
con le fin de evitar errores que atenten con la integridad del personal o con el
transformador, el sistema de iluminación normalmente es controlado por un microswitch
el cual se acciona cuando la puerta del gabinete se abre. Finalmente encontramos un
sistema de alimentación auxiliar la cual es suministrada por uno o mas tomas de corriente
ubicados dentro del gabinete, estos deben cumplir con la normativa para manejo en
exteriores (quiere decir que deben ser tipo GFCI).
Grafico 13. Circuito de calefacción y servicios auxiliares.
30
Circuito de control sistema de enfriamiento
Este circuito representa la capacidad del transformador para trabajar bajo un estado de
sobrecarga generado por el sistema, este circuito permite de forma controlada el
encendido de cualquier dispositivo que realice una función de enfriamiento emulando
cualquier proceso térmico, entre estos dispositivos encontramos ventiladores los cuales
poseen unas características especificas para trabajar bajo estas condiciones como son
grado de protección contra intemperie en los motores, caudales de aire grandes con el fin
de enfriar la mayor área de agente aislante presente en el transformador y procesos de
galvanizado los cuales no son mas que procesos que se realizan al material con el cual
están construidos para soportar temperaturas altas y ambientes corrosivos; también se
presentan bombas las cuales utilizan un caudal de agua para enfriar el transformador.
Independiente del sistema utilizado el proceso térmico que se genera en el transformador
es el que permite la utilización de estos elementos para cumplir esta función, el aceite en
los transformadores, como agente aislante entre la parte activa del transformador (bobinas
y núcleo) y las partes metálicas (Tanque, bridas, etc.) posee la característica de que
cuando se caliente presenta un cambio de densidad y empieza a recircular dentro del
transformador, presentándose así, que el punto mas caliente del aceite esta en la parte
superior y el mas frió en la parte inferior, utilizando este comportamiento el aceite es
guiado por unas obleas de metal (radiadores) con las cuales entra en contacto con el aire
circundante que se encuentra alrededor de los transformadores permitiendo así una
refrigeración natural, cuando las temperaturas son muy altas y no se satisface la
necesidad de refrigeración por medio del aire se utilizan los elementos anteriormente
enunciados, los cuales complementan la función que el aire realiza sobre el cuerpo de
aceite que circula por los radiadores.
Grafico 14. Juego de ventiladores y radiadores utilizados como sistema de enfriamiento.
31
Con la aparición de estos sistemas de enfriamiento, surge la necesidad de controlar la
activación de los mismos, por tal razón existe un circuito el cual permite que los
ventiladores o bombas se enciendan solo cuando sea necesario ya sea con el fin de evitar
situaciones de falla en el transformador o controlar las sobrecargas que se presentan en
los ciclos de cargabilidad de los sistemas de potencia. Este circuito esta constituido por
una serie de contactores y reles contactores que permiten el funcionamiento de los
elementos de enfriamiento gracias a señales enviadas por dispositivos o sensores de
medida de temperatura o a la manipulación manual de los operarios de la subestación.
Normalmente este circuito esta constituido por dos partes, una parte manual que no es
mas que una serie de selectores conectados en cascada que permiten el accionamiento del
sistema y una parte automática la cual como se ha dicho anteriormente utiliza sensores de
temperatura para efectuar la maniobra, dichos sensores pueden ser análogos o digitales,
pero siempre basan su funcionamiento en el actuar de contactos secos los cuales permiten
la energizacion de bobinas que controlan una serie de contactores de potencia que
permiten la alimentación de los motores.
Grafico 15. Circuito de control sistema de enfriamiento.
De igual manera el circuito de control posee una parte de señalización que permite
detectar situaciones de falla en el sistema de control generando el sobrecalentamiento del
transformador, el deterioro de los aislamientos, perdida de vida útil del transformador y
en el peor de los casos un incendio del equipo.
32
Circuitos de Fuerza
Estos circuitos son los que soportan gran parte de la carga de potencia demandada sobre
los sistemas auxiliares de la subestación, son los que permiten la alimentación de
motores, reenvios, bombas y demás elementos de potencia que pueden ser utilizados en
un transformar con el fin de cumplir una función de control o de protección.
Estos circuitos normalmente están compuesto de contactores, breakers, guardamotores
(Protecciones eléctricas para motores) y demás elementos robustos que soportan grandes
corrientes de arranque y funcionamiento, sobrecargas y calentamiento extremo. A su vez
estos circuitos están ligados y su funcionamiento depende de los circuitos de control y de
alimentación.
Grafico 16. Circuito de fuerza sistema de enfriamiento.
Estos circuitos son vulnerables a errores de diseño debido a que se tienen que manejar
bastantes variables como son, niveles de tensión (muchos motores pueden funcionar con
corriente alterna o corriente directa), corrientes de arranque (aproximadamente llegan a
estar en el orden de 3 a 5 veces la corriente nominal), sobrecarga, torque, potencia de
trabajo, etc. Las cuales obligan al diseñador a encontrar las opciones mas optimas con
respecto a cumplir con todas estas variables pero a su vez de no ser redundantes ya que
esto implica un cambio en una variable importante en el ámbito en que se maneja la
producción y manufactura de los transformadores el costo de equipos.
De igual manera que en los circuitos cada uno de sus elementos posee una serie de
contactos de señalización y de alarmas con el objetivo de detectar y controlar cual
situación anómala.
33
Circuitos de señalización
Los circuitos de señalización son parte fundamental para los intereses de los
controladores de subestación, estos circuitos se encargan de tener las señales necesarias
para activar dispositivos de anunciación o sistemas de indicación visual y sonoras, con el
objetivo de que el operador se entere de alguna falla, del por que y cual es la fuente de la
misma.
Los circuitos de señalización se caracterizan por ser una serie de contactos auxiliares que
están adosados físicamente a los equipos de protección de baja tensión, estos equipos
pueden ser, interruptores termomagnéticos que hacen parte de los circuito de
alimentación, guardamotores que son protecciones del circuito de fuerza o reles los
cuales componen circuitos de control.
Grafico 17. Tipos de circuitos de señalización.
Las señales en algunos casos son tomadas directamente de los elementos de protección
del transformador y son repetidas unas cuantas veces dependiendo de la utilización de
reles que poseen una serie de contactos, que actúan como una señal independiente
permitiendo así que los operadores tengan varias opciones a la hora de coordinar sus
equipos, la velocidad de reacción de los equipos debe ser tal que permite que las
protecciones o dispositivos aguas a bajo actúan de una manera correcta.
34
Grafico 18. Circuito de señalización utilizando reles repetidores.
Circuitos de protecciones del transformador
Como bien hemos visto, el transformador posee una serie de accesorios de protección los
cuales están internamente constituidos por una serie de elementos electromecánicos,
habitualmente contactos secos, que permiten transmitir señales que equivalen al
accionamiento de los equipos; esta serie de contactos son aglomerados en un circuito que
es la interfase del transformador con las protecciones de las subestaciones.
La subestación a su vez esta conformada por una serie de elementos de bahía,
habitualmente dispositivos electrónicos (protecciones diferenciales), que darán la orden
respectiva a los seccionadores, interruptores de potencia, etc. de actuar.
El circuito de protecciones del transformador es una representación grafica de los
accesorios y se dividen en elementos que proporcionan señales de alarma, que funcionan
como advertencias para el operador con el fin de que este realice una maniobra correctiva
antes de que la situación sea mas grave, o elementos que proporcionan señales de disparo
que por su naturaleza desconectan el transformador debido a que la falla atenta con el
equipo y presenta una situación de alto riesgo.
35
Adicionalmente en estos circuito se encuentran todos los sensores que pueden tener
diferente naturaleza de señal (PT100, resistiva, corriente 4-20 mA, voltaje 0-1 V),
equipos de regulación ya sean manuales o automáticos y transformadores de corriente los
cuales son utilizados como dispositivos de medida o protección.
Grafico 19. Circuito de elementos de protección del transformador.
Circuitos de monitoreo y sistemas electrónicos de protección
Debido a los adelantos tecnológicos y la aparición de circuitos electrónicos integrados,
los sistemas de potencia han evolucionado en sus sistemas de control, monitoreo y
protección implementando herramientas digitales, las cuales permiten de una manera más
rápida y eficiente predecir o reaccionar ante las necesidades del mismo. Estos
dispositivos integran una serie de señales las cuales permiten coordinar protecciones,
accionar otros dispositivos e informar el estado de funcionamiento del transformador. Por
tal razón existe la necesidad de crear circuitos destinados no solo a suplir una
alimentación de corriente alterna o directa, sino el generar un enlace bidireccional de
información con el objetivo de ser analizada y evaluada a la hora de realizar una
operación en el transformador.
36
Grafico 20. Interfaz grafica de un sistema de monitoreo en línea del transformador marca ABB
Entre estos dispositivos que son considerados accesorios en el transformador se
encuentran los cambiadores bajo carga los cuales poseen un sistema denominado mando
motor donde se controla la conmutación de los taps ya se por el lado de alta o baja
tensión con el fin de cumplir unos estándares de regulación que garantizan los niveles de
tensión a ser entregados a las cargas del transformador, ligado con este sistema se
encuentran dispositivos digitales que permiten tener un ancho de banda de regulación,
controlar tiempos de conmutación, realizar secuencias de paralelismo entre varios
transformadores, visualización remota de la posición del tap etc., permitiendo la no
presencia de personal y el control a distancia de la regulación.
Sistemas de monitoreo de temperaturas en el aceite y los devanados, que permiten el
desarrollo de algoritmos que pronostican y predicen el desgaste térmico que sufre el
transformador y permite la detección de fallas denominadas puntos calientes.
Sistemas analizadores de gases y humedad las cuales son dos variables importantes a la
hora de realizar un diagnostico en el transformador ya se con carácter de un
mantenimiento predictivo o correctivo.
37
Conservator tank membrane/bag
monitoring
Bushing Monitoring
Temperature
Monitoring
OLTC control a nd
monitoring
Gas a nd Moisture
in Oil
Dry conta cts a nd mA
signals
Grafico 21. Ilustración de diversos equipos de monitoreo en diferentes partes del transformador
Sistemas analizadores de cargabilidad, utilizando las corrientes que fluyen a través de las
fases del transformador permitiendo al operador detectar periodos de sobrecarga del
sistema con el objetivo de optimizar acciones como lo es el encendido de los sistemas de
enfriamiento, el accionar de reconectaodres y protecciones de potencia, y así mismo
controlar la vida útil del transformador.
Sistema de recirculación del aceite eliminando impurezas y presencia de humedad en el
agente refrigerante del transformador con lo cual se esta garantizando un tiempo mas
prolongado de funcionamiento del transformador y evitar el deterioro de los aislamientos.
Por estos y muchos mas adelantes que se generan día a día en el área de los sistemas de
potencia y específicamente en los transformadores se tiene que disponer de una interfase
entre señales analógicas y digitales que estarán presentes en las nuevas unidades creadas
por los diferentes fabricantes.
Sistemas de comunicación
Como valor agregado de los dispositivos digitales se encuentran enlaces de comunicación
los cuales no son mas que caminos para envió y recepción de información por medio de
protocolos de comunicación como es MODBUS, DNP3.0, IEC61850, TCP/IP etc., los
cuales utilizan diferentes puertos y conexiones, CANBUS, RJ45, RS232, RS485, fibra
óptica, esto permite entrar a una nueva modalidad de subestaciones desatendidas y
controles remotos por medio de centros de control.
38
Todos estos sistemas de comunicación también deben ser contemplados dentro de los
circuitos teniendo en cuenta que estos darán la alimentación y la forma de conexión entre
los diferentes dispositivos.
Grafico 22. Representación grafica de un sistema de comunicaciones entre el transformador y la
subestación.
Teniendo la presencia de todos estos elementos, accesorios y circuitos, el mercado de los
sistemas de potencia suple su necesidad utilizando herramientas de diseño que permiten
obtener el mejor aprovechamiento de estos dispositivos, el ahorro en tiempo y costos ,y la
generación de las mejores aplicaciones que se pueden presentar en el entorno, teniendo en
cuenta que la demanda de soluciones eficientes y económicas esta mas latente en el
mercado de la energía eléctrica y es el que permite en la mayoría de los casos el
sostenimiento de entidades y fabricantes.
39
CAPITULO 3
INTRODUCCION AL “ELCad”, DESARROLLO DE BASES DE DATOS Y
DISEÑO DE DISPOSITIVOS DE CONTROL EN EL “ELCad”.
El software “ElCad”, es un software especializado que permite al ingeniero de diseño
eléctrico encontrar las mejores alternativas a la hora de realizar circuitos que permitan la
protección y el control en sistemas que necesitan de una gran confiabilidad, por tal razón
es una herramienta fundamental a la hora de diseñar las protecciones de los
transformadores; al ser una herramienta de diseño debe tener el soporte de información
necesaria que no solo le de facilidades y ventajas al diseñador sino que también permita
que cualquier persona entienda y visualice las funciones de los circuitos y su alcance.
El programa posee una serie de áreas de trabajo en la cual se desarrolla todo su potencial,
estas están representadas por:
•
•
•
•
•
Edición de planos
Diseño de símbolos
Edición de listas
Administración de mangueras
Bases de datos
Estas áreas permiten optimizar los tiempos de diseño, potencializar los diferentes
dispositivos utilizados en los diseños, mejorar los circuitos teniendo en cuenta la función
y grado de protección, organización de la información y, manejo adecuado y preciso de
los diferentes parámetros que rigen un sistema de control y protección.
En el área de edición de planos se realiza una representación grafica de la forma en que
se conectan los diferentes dispositivos, con lo cual se pueden identificar las diferentes
jerarquías de funcionamiento, puntos de potencial o de alimentación, enclavamiento en
cascada de protecciones, adquisición de señales, manejo de la información, sistemas
inteligentes, circuitos de servicios auxiliares, representación grafica de la disposición de
los elementos, características constructivas, cableado estructural e información
relacionada con un eficiente manejo de los equipos. Esta área de trabajo ofrece las
herramientas de dibujo necesarias para realizar circuitos gráficos con simplicidad y
coherencia, para así, poder generar una información clara con la cual mas adelante se
realizara la construcción y elaboración de los circuitos. La plataforma de dibujo es
similar a todo software tipo CAD, opciones de generar líneas, puntos, figuras etc.,
opciones de cortar, pegar y funciones propias del programa como crear conexiones, crear
referencias, identificar dispositivos etc.
40
Grafico 23. Interfaz grafica del programa de diseño ElCad.
La áreas de diseño de símbolos y edición de listas, son las áreas en las cuales se basa el
programa para relacionar los diferentes elementos y la información generada dentro del
programa, la información contenida en estas áreas permite que los diseños no tengan
errores y se realicen las conexiones de una forma adecuada y coherente, y en ultima
instancia permite que se generen las conexiones a los diferentes terminales ya sean de
dispositivos o de terminales de conexión.
Grafico 24. Documentación de las diferentes áreas de trabajo del programa Elcad.
La administración de mangueras y las bases de datos son herramientas propias del
programa con las cuales se basa para realizar las diferentes aplicaciones, un buen
desarrollo de las bases de datos permite aprovechar de una manera óptima las virtudes del
programa.
41
Para la utilización de esta herramienta de trabajo se necesita de la generación de bases de
datos las cuales poseen los elementos que caracterizan los circuitos y permiten la
funcionabilidad de las protecciones a la hora de realizar la tarea de mantener el
transformador en un óptimo funcionamiento.
Grafico 25. Representación grafica de símbolos en el programa ElCad
La generación de las bases de datos esta directamente relacionada a las necesidades de
control, monitoreo, protección y señalización, por tal razón el programa define una serie
de características que se ven reflejadas en una serie de códigos y comandos que permiten
diferenciar las características de los elementos teniendo en cuenta su prioridad, tipo de
accionamiento, velocidad de reacción, tipo de magnitud a sensar, etc.
En principio el programa define un orden jerárquico como es el caso de un rele el cual
posee una bobina que se energiza y acciona una serie de contactos los cuales dependen de
la bobina, de igual manera se encuentran dispositivos que se accionan en cascada a
medida que aguas arriba del circuito ocurren una serie de casos ya se por fallas o por
control; las bases de datos también relacionan información necesaria a la hora de tomar
una decisión de control o protección, por ejemplo niveles de corriente, velocidad de
reacción de contactos, niveles de tensión, potencia, esta es información que permite que
los diseños sean creados para trabajar en el momento en que se necesitan y que no se
encuentren circuitos sobredimensionados o insuficientes a la hora de cumplir su tarea,
hay que tener en cuenta que una mala selección causa una perdida de equipos y la perdida
de equipos en este ámbito en el área de los transformadores, no es mas que dinero.
Adicionalmente el programa posee una serie de información más básica pero que a la
hora de ser relacionada en un proceso de producción permite que se mejoren tiempos de
elaboración, que se entregue una información necesaria dependiendo de las exigencias de
los usuarios finales, un ejemplo de esta información son los formatos de planos los cuales
poseen macros o configuraciones que tienen información como nombres de proyecto,
códigos de planos, numeración, nombres de fabricantes; diccionarios los cuales de forma
automática permiten cambiar todo el texto de los planos de un idioma a otro y simbología
dependiendo de las diferentes normativas que rigen la elaboración de estos circuitos
(normas IEC o ANSI).
42
Todas estas herramientas y áreas permiten que al ser aplicadas en conjunto se tenga un
sistema de diseño eficiente, que a la hora de presentar resultados permita controlar tanto
calidad como tiempo, demostrando así que es una aplicación que genera buenos
resultados.
Desarrollo de las bases de datos y diseño de los dispositivos de control
Las bases de datos son una plataforma en la cual se encuentra registrados todos y cada
uno de los elementos o símbolos (nombre que se dará de ahora en adelante a cada uno de
los componente de los sistemas de control y protección), la base de datos posee una
configuración en carpetas, estas carpetas representan una característica principal de los
componentes por ejemplo se tiene desde los puntos de conexión denominados borneras
hasta las manchetas o formatos en los cuales se plasmara la información.
Grafico 26. Clasificación por medio de carpetas de los símbolos en el programa ElCad.
6
Los símbolos están clasificados en tipos, esto determina su comportamiento durante el
análisis que realiza el programa para correr sus funciones, ElCad contiene varios tipos de
símbolos que reaccionan de forma diferente:
6
Ver anexo 1 - Tipos de símbolos programa ElCad.
43
•
Tipo 1 y 2: Esta clasificación es usada para determinar como se mostraran los
símbolos en el árbol de símbolos durante su selección, esto me permite organizar
los símbolos en carpetas dependiendo del tipo o función que va a desempeñar
dentro de los esquemas de control y protección. Los símbolos tipo 1 se refieren a
los símbolos generales y solo pueden ser plasmados en los esquemas una sola vez,
estos símbolos son analizables, situación contraria pasa con los tipo 2 los cuales
no son analizados y no son colocados en ningún lista de información. Esta
clasificación se presenta por defecto en cada uno de los componentes de las bases
de datos.
Grafico 27. Representación grafica de un símbolo tipos 1 y 2.
•
Tipo 3: Es denominado de cable truncado, este es usado cuando un circuito debe
mostrarse en diversos planos debido a su complejidad, poseen la característica de
mostrar no solo la referencia cruzada entre la secuencia de circuito, sino que
también permite ver el nombre del destino al cual esta conectado.
Grafico 28. Representación grafica de un símbolo tipo 3.
44
•
Tipo 4: Este tipo se refiere a las barras de potencial que al igual que el tipo 3
permiten la relación de esquemas y circuitos entre diferentes planos, la diferencia
es que este representa puntos de potencial o alimentación y en su representación
grafica solo muestra la referencia cruzada.
Grafico 29. Representación grafica de un símbolo tipo 4.
•
Tipo 5: Es denominado símbolo maestro y es el grupo de componentes generales,
los elementos que se encuentran en este tipo poseen una descripción propia y se
consideran como los elementos de mas jerarquía entre los tipos, estos símbolos
son analizables y son aquellos que permiten la interfase entre la parte grafica del
programa y la generación de tablas, hojas de borneras y listas de materiales.
Grafico 30. Representación grafica de un símbolo tipo 5.
45
•
Tipo 6: Es denominado símbolo esclavo y tiene una dependencia directa con los
símbolos tipo 5, la mayoría de los elementos ubicados en esta categoría
corresponde a una función o característica de un elemento maestro y son un
componente del mismo.
Grafico 31. Representación grafica de un símbolo tipo 6.
Un ejemplo de un símbolo tipo 5 (maestro) y un símbolo tipo 6 (esclavo) es un rele, el
cual es un elemento que esta compuesto por una bobina y contactos, el elemento maestro
es el rele y es representado por la bobina y tiene uno o varios elementos esclavos los
cuales están compuestos por contactos ya sean de tipo normalmente abierto o
normalmente cerrado, el elemento esclavo esta directamente relacionado con el maestro
ya que, hasta que la bobina en el rele no se energice, los contactos del rele no actúan
dependiendo de su naturaleza.
Grafico 32. Relación entre un símbolo tipo 5 y uno tipo 6.
46
•
Tipo 8: Este tipo de símbolo es denominado cable de manguera, y son aquellos
elementos que permiten dar la característica al tipo de cable utilizado en la
conexión física de los circuitos y de los elementos, este tipo de símbolo permite
generar información del calibre, color y composición del cable utilizado y ser
plasmada esta información en los cajetines de las hojas de borneras.
•
Tipo 9: Este tipo de símbolo es usado por todos los símbolo de cajetin (de ahora
en adelante cajetin se denomina a la mancheta o formato utilizado para colocar la
información generada en el programa), estos difieren del resto de símbolos ya que
solo se podrán generar planos en ElCad en base a un símbolo de este tipo; el
cajetin es uno de los requisitos previos para la creación de planos debido que la
administración de los planos se controla con los números de código usados en el
símbolo de cajetin.
Grafico 33. Representación grafica de un símbolo tipo 9.
•
Tipo 10, 11 y 12: Estos tipos de elementos son denominados de ventana, son
símbolos sin grafico que comparten con una parte de los esquemas o planos una
información especifica con el fin de permitir la administración de la información
para ser utilizada en la generación de listas, los tipo 10 poseen la característica de
administrar la información para generar las listas de materiales de pendiendo de la
información que se haya generado en cada unos de los símbolo que componen la
base de datos; los tipo 11 no se administran como materiales y por consiguiente
no aparecen en las listas y los tipo 12 se usan para dividir la visualización de un
componente en varios planos.
47
La versatilidad en la clasificación de los elementos que componen las bases de datos
permite generar en el programa una serie de símbolos con características especificas
dependiendo de la necesidades del diseñador, permitiendo así una flexibilidad a la hora
de mostrar la información, de generar diseños, de elaborar listados y de relacionar el
actuar de cada uno de los elementos que componen los sistemas de control y protección.
Al tener identificado cada tipo de elementos que componen las bases de datos se utiliza el
área de trabajo denominada diseño de símbolos para empezar a elaborar cada uno de los
símbolos que se utilizaran en el área de dibujo y representación de los circuitos, dándoles
una descripción constructiva, física y funcional.
El programa define al símbolo como un elemento que ocupa un espacio grafico en el área
de trabajo y que se relaciona con los demás componentes del circuito o circuitos por
medio de conexiones eléctricas las cuales poseen ciertos parámetros de funcionamiento,
el símbolo esta compuesto por un grafico el cual especifica la apariencia del mismo en el
plano, un nombre el cual es usado para ser llamado a los planos y que lo diferencia en las
bases de datos, puntos de referencia el cual es usado para ubicar el símbolo dependiendo
de las dimensiones y configuración del área de trabajo, un tipo el cual permite al
programa analizar el símbolo dependiendo de sus características, unos diálogos que dan
una descripción detallada de los parámetros del símbolo (referencia, código, niveles de
operación, etc.) y las conexiones las cuales son las que permiten la interfase con otros
elementos con el fin de formar el diseño del circuito.
Grafico 34. Partes de un símbolo
La lógica de un símbolo se define por líneas de diálogos la cual son la composición de
una serie de códigos que representan una función, descripción o característica, Una línea
de dialogo esta compuesta por un numero de dialogo (consecutivo), números de código,
significado y un valor por defecto.
La administración de los símbolos se realiza por medio de las bases de datos de símbolos,
con el fin de que las empresas generen los elementos necesarios y estandarizados. La
empresa ABB transformadores con sede en Pereira posee gracias a esta función una base
de datos con elementos exclusivos de su misma fabricación que permiten asegurar la
funcionhabilidad de sus circuitos de control y la calidad de los elementos instalados,
adicionalmente se generan elementos de otros fabricantes debido a las funciones
48
especializadas de algunos accesorios de protección en los transformadores y que no
hacen parte del alcance productivo de la empresa ABB y filiales.
Con el fin de definir el procedimiento necesario para realizar las bases de datos
correspondientes se tiene un instructivo que permite adaptar las necesidades de la
empresa, en este caso ABB transformadores Pereira, para la creación de los símbolos que
se utilizaran en la elaboración de sus diseños.
Como se ha mencionado anteriormente el programa posee un área de trabajo en la cual se
crean los nuevos símbolos que componen la base datos, por defecto el programa posee
una serie de bases de datos que trata de recopilar de manera general elementos
normalmente utilizados en la elaboración de los circuito de control y de protecciones,
esta es una buena base para la generación de la nueva base de datos; como primera
instancia se tiene que elaborar el dibujo o representación del elemento el cual ocupara un
espacio físico en el plano, las dimensiones del mismo deben estar acorde con la
disposición de espacio que se tenga según el formato del plano.
7
La representación grafica de cada uno de los elementos de control y protecciones
(interruptores, breaker, reles, sensores, etc.) esta reglamentada y codificada según los
estándares internacionales ya sea por normativa ANSI o IEC, gracias a esta función en el
programa ElCAd la base de datos contiene elementos elaborados según las
especificaciones de las dos normas, un ejemplo claro es la representación grafica de un
contacto normalmente abierto; la plataforma grafica permite generar las configuraciones
pertinentes con el fin de emular gráficamente el elemento generado. Es importante desde
este punto generar la proporción y la forma de conexión del símbolo para así poder
realizar un cableado mas limpio y claro en los esquemas o planos de los circuitos.
Teniendo la representación grafica del símbolo se procede a la generación de los diálogos
los cuales identificaran el símbolo en el programa y dará las correspondientes
características; entre los códigos más importantes y que deben ser considerados en
cualquier elaboración de un símbolo por más simple que se realice son:
•
•
•
•
Designación del componente
Descripción técnica
Datos del material
Conexiones
8
El programa ElCad posee un listado en el cual está plasmado cada uno de los códigos
necesarios para la creación de los diálogos en los símbolos, estos códigos están
clasificados dependiendo de la información y la función que realizan con respecto a la
identificación del símbolo y a los procesos a ser realizados automáticamente por el
programa o por el diseñador en forma manual.
7
8
Ver normas IEE C37.2 – 1991, IEC 617, IEC 117.1 Recommended graphical symbols.
Ver anexo 2 - Códigos para la generación de diálogos programa ElCad.
49
En la edición de diálogos es indispensable generar bloques en los cuales se agrupa la
información anteriormente enunciada, por tal razón en el inicio de los bloques se debe
insertar el código 1018 denominado designación de bloque, cada vez que se utiliza este
código en una línea de dialogo representa un bloque diferente (Componente, Datos
técnicos, Material, etc.), adicionalmente en la utilización del símbolo en los esquemas o
planos de los circuitos cada código 1018 representa un ventana en el formato de edición
del símbolo (La edición del símbolo es una ventana que se visualiza en el área de trabajo
del programa que permite ingresar de manera manual la información solicitada por las
líneas de código).
Bloque designación del componente
Con la utilización del primer código 1018 se parametriza la información mas importante
que debe poseer cualquier elemento, la designación del componente, estas líneas de
dialogo permiten establecer la jerarquía del símbolo, su ubicación y su funcionabilidad.
Los componentes de este bloque son los códigos:
Código 1 – Instalación, Esta propiedad permite referenciar el elemento a un proyecto y a
su designación en un plano.
Código 2 – Función, Esta propiedad permite determinar la característica del circuito.
Código 3 – Lugar, Este código genera las coordenadas en las cuales se ubica el símbolo.
Para el caso de la empresa ABB transformadores Pereira posee un cajetin acotado por
números en la parte inferior y superior, y letras en los lados.
Código 4 - Nombre del componente.
Grafico 35. Configuración de la designación de componente para un símbolo en el programa Elcad.
Bloque descripción técnica
Este bloque se define con la presencia de otro código 1018, en este, se colocan una serie
de códigos que describen el símbolo, teniendo en cuenta los parámetros de
funcionamiento tensión, corriente, potencia, etc. estos parámetros son información que
aparece a la hora de insertar los símbolo en los esquemas o planos ya sea de forma
automática o en forma manual.
50
Este bloque permite que el diseñador dimensione sus circuito y calcule los valores
adecuados con los que los símbolos van a permitir que el circuito funcione de acuerdo a
las necesidades de control o protección que se tengan.
Algunos ejemplos de estos códigos son:
Código 30 – Tensión, dependiendo del elemento puede ser la tensión de alimentación en
el caso de una bobina, tensión máxima de operación en el caso de un interruptor
termomagnetico.
Código 31 – Intensidad (corriente).
Bloque material
Este bloque es necesario para controlar el acceso del símbolo a la base de datos de
material, permite la generación de información automáticamente y el reconocimiento del
mismo con el fin de que se generen en las listas de materiales, igualmente permite que
información como lo es el fabricante y el tipo o referencia se generen en la base de datos
y sean utilizados como filtros a la hora de realizar una búsqueda.
Código 80 –Este código es el numero de articulo principal que sirve para seleccionar el
componente, se convierte en el enlace entre el símbolo en el plano, el componente en la
lista de materiales y el articulo en la base de datos. Cuando se introduce un símbolo en
los planos este código es el que permite buscar de una manera eficiente en la base de
datos de materiales un elemento específico.
Código 150 –Código que permite generar una descripción corta del símbolo y es utilizada
en las listas que genera el programa.
Código 152 –Código que permite enlazar al símbolo a una familia de elementos en la
bese de materiales que poseen una característica común, por ejemplo la familia de
motores, de contactores, etc., en la base de datos actúa como un filtro.
Bloque conexiones
Bloque que permite generar todas la conexiones con las cuales el símbolo se va a poder
relacionar con otros elementos en los circuitos generados, las conexiones dependen de las
características constructivas del elemento y están ligadas a la cantidad de funciones que
posea. Un buen posicionamiento de las conexiones tanto en espacio como en aplicación
permitirá optimizar los circuitos especialmente los de control donde se encuentra una
secuencia de funcionamiento dependiendo de una jerarquía.
Código 21-Este código es necesario para definir los puntos de conexión, es decir el
contacto eléctrico para una conexión. Para cada conexión se debe definir una línea de
dialogo con este código.
51
Con la implementación de estos bloque se puede generar cualquier símbolo el cual será
utilizado por el diseñador en los circuitos de control y de protección, son códigos
indispensables con el objetivo de aprovechar todas las ventajas del programa a la hora de
realizar tareas automáticas utilizando el programa, quiere decir la generación de hojas de
borneras, de listas de materiales y de las referencias cruzadas.
A continuación se encuentra el ejemplo de la elaboración de líneas de diálogos para un
símbolo que será parte de la base de datos de materiales, con la aparición de los cuatro
bloques esénciales a la hora de crear el símbolo.
Tabla 3. Ejemplo de las líneas de dialogo generadas para un símbolo en el programa ElCad.
La creación de un símbolo puede acompañarse con una documentación completa del
mismo, esta documentación se genera gracias a las líneas de dialogo y una impresión
grafica del símbolo y la salida de esta información se realizar gracias a una impresión o
una ventana de información del programa.
52
Tabla 4. Información por pantalla de la documentación de los diálogos en un símbolo,
Representación grafica del símbolo
Teniendo en cuenta que ya fueron generadas las líneas de dialogo para el símbolo creado
se realiza la representación grafica del mismo, el cual ayudado con comandos de dibujo
del programa mostraran sus dimensiones, conexiones y textos que tendrán relación
directa con las líneas de dialogo generadas.
9
Para crear la parte grafica del símbolo, el programa posee una serie de comandos y
funciones que formar figuras que se convertirán en la representación grafica, entre estas
opciones esta la generación de líneas, circunferencias, rectángulos, áreas sombreadas y
comandos que facilitan esta elaboración como lo es pegar, cortar, copiar, etc.
Como no solo nos sirve el grafico del símbolo sino alguna información importante de el
para ser visualizada en los planos, es necesario crea textos que me permitan conocer que
equipo y que características posee a la hora de ser insertado en los planos.
Los textos pueden ser fijo o pueden ser los textos insertados en los valores por defecto de
las líneas de dialogo un ejemplo claro de esta aplicación puede ser el rango de corriente
para la protección de un motor; en la área de trabajo de diseño de símbolos se ejecuta el
menú INSERTAR/TEXTOS, con lo cual aparecerá una ventana que nos da la opción de
generar un texto fijo o de colocar la información de una línea de dialogo, para el texto de
las líneas de dialogo se despliega una ventana con cada uno de los códigos generados
para que sea seleccionado aquel que se quiera que aparezca en el grafico del símbolo.
9
Ver anexo 3 - Descripción de comandos para la elaboración grafica programa ElCad.
53
Adicionalmente aparecen opciones, como tipo de letra, grosor, y ubicación con respecto
al punto de referencia.
Grafico 36. Representación grafica de un símbolo con sus textos y conexiones generados.
Creación de conexiones en el símbolo
La otra parte esencial al crear el símbolo es la ubicación de las conexiones, estas están
relacionadas al grafico generado y a las líneas de diálogos de conexión creadas, el
análisis eléctrico completo en el proceso de edición de planos depende de las conexiones.
Antes de posicionar una conexión en el grafico del símbolo, se debe asegurar que se haya
generado una línea de código 21.
Cada conexión debe tener una designación, para mostrarla en el grafico del símbolo, debe
insertar un punto de referencia y ubicarse sobre el punto que el grafico a determinado; los
valores por defecto, eso quiere decir, la numeración del terminal de la conexión se
pueden definir desde la línea de dialogo creada.
Siguiendo este procedimiento se genera toda la base de datos respectiva con el fin de
tener una información correspondiente a las características de diseño del fabricante, para
este caso la empresa 10ABB transformadores con sede en Pereira posee una base de datos
exclusiva para sus aplicaciones de circuitos de control y protección para transformadores
de potencia, caracterizándose por tener símbolos con especificaciones de productos ABB
del área de negocio de baja tensión y automatización.
Una aplicación muy utilizada en esta base de datos y que vale la pena ser analizada es la
identificación maestro/esclavo en símbolos los cuales tienen una correspondencia, para
tener una visualización clara de este proceso se utiliza la generación de un símbolo
denominado rele el cual posee varios contactos auxiliares de control y señalización.
El símbolo generado teniendo en cuenta que su representación grafica es una bobina se
denomina rele y será el símbolo maestro, ya que dependiendo de la energizacion de este
elemento los contactos auxiliares se activaran, ya sea como contactos normalmente
abiertos o normalmente cerrados, estos serán llamados esclavos.
10
Ver anexo 4 - base de datos materiales ABB transformadores Pereira anexo en formato digital.
54
Grafico 37. Símbolo maestro con sus respectivos elementos esclavos.
El rele se enlaza con los contactos durante el análisis con la misma designación de
componente, eso quiere decir que si el rele se llama K los contactos deben ser
denominados igual; por cada elemento maestro se puede asignar un número indefinido
de elementos esclavos, estos dependen de las características del elemento real y cuantas
conexiones posea.
En este contexto cuando se realiza el análisis del símbolo en los planos ya generados se
comprueba si el contacto (esclavo) coincide con la bobina (maestro) y no se excede las
cantidades de contactos asignados; si la comprobación es correcta, la designación
apropiada de las conexiones se transfiere al contacto y se generan las referencias
cruzadas.
En la edición de diálogos del símbolo, la cantidad de símbolos esclavos se define con la
cantidad de líneas de dialogo que posean el código 1000 en el símbolo maestro.
Código 1000 –Herramienta de identificación y transferencia de textos, el parámetro de
identificación y los textos a transferir se entran en una secuencia relacionada de la
siguiente manera en el espacio de valor por defecto en el código 1000, dentro de un
primera paréntesis se coloca la naturaleza del contacto, contacto auxiliar normalmente
abierto (ANO) o contacto auxiliar normalmente cerrado (ANC) y la numeración de las
conexiones a las cuales esta asignado el elemento esclavo (13-14,11-12), después de un
signo mayor que (>), se crea otro paréntesis que contiene el numero de línea de dialogo
en el que se guardara la referencia cruzada del contacto, esta línea de dialogo esta
definida por un código 10.
55
Tabla 5. Configuración de las líneas de diálogos para generar la relación entre un símbolo maestro y otro
esclavo.
La relación entre el símbolo maestro y el esclavo se forma de la siguiente manera:
•
•
•
•
•
Durante el análisis, los símbolos esclavos se asignan mediante la misma
designación de componente.
Entonces el programa compara los textos identificativos en los códigos 1000. En
este caso el testo de contacto auxiliar normalmente abierto o normalmente
cerrado.
Si el texto es idéntico, el siguiente campo del paréntesis se comparará. En el
símbolo maestro el siguiente campo del paréntesis es un texto fijo, en el símbolo
esclavo un numero de dialogo, el cual hace referencia a la conexión generada en
el símbolo esclavo.
El programa comprueba el símbolo esclavo para comparar que este campo este
igual en el dialogo correspondiente.
Si no existe ninguna entrada, el texto se transfiere del símbolo maestro al símbolo
esclavo y se mostrará mediante el punto de inserción del dialogo en el símbolo del
contacto.
56
•
•
•
Si la entrada no es igual, el programa cancelará la asignación y pasará al siguiente
código 1000.
Una vez se han transferido los números de contacto, las situaciones del símbolo
maestro y esclavo se intercambiarán en forma de referencias cruzadas. Al mismo
tiempo el código 1000 se marcará como asignado. Esto asegura que un sólo
símbolo esclavo se asignará para cada código 1000.
Si todos los códigos 1000 están ocupados, el programa mostrará el mensaje
elemento no disponible o ya asignado.
Otras aplicaciones representativas en la generación de la base de datos de materiales es la
de crear símbolos de tipo 7 (símbolos de bornes) y tipo 9 (símbolos de cajetín).
Los símbolos tipo 7 se caracterizan por ser la representación física de los puntos de
conexión a ser ubicados en los gabinetes de control, con el fin de conseguir que los
circuitos de control y protección tengan una disposición lógica y acorde con las
necesidades del diseñador, del cableador o las personas involucradas con el proceso de
fabricación del gabinete de control y finalmente el cliente que dará utilización al mismo
en la subestación.
Los símbolo tipo borne son generados por medio de líneas de código de designación,
comentario, tipo y número de conexiones posibles, su aplicación y creación es importante
ya que por medio de ellos se generan las hojas de borneras una de las áreas de trabajo del
software ElCad, cuya tarea es realizada automáticamente por el programa. Durante el
análisis, los bornes se entran en la base de datos del proyecto. Aunque en la práctica los
números de borne pueden repetirse, se podrá ajustar, en las configuraciones del proyecto,
la reacción del programa al encontrar bornes duplicados.
11
Los símbolos tipo 9, son los formatos que se utilizan para la ubicación de los diseños de
los circuitos, para el caso de ABB transformadores con sede en Pereira, se tiene formatos
estandarizados que recopilan información necesaria para el reconocimiento del proyecto
que se esta realizando, el cliente al cual se esta realizando el diseño, información del
transformador de potencia al cual pertenecen los circuitos de control y protección ,y
finalmente un código con una secuencia utilizada para organizar la documentación
generada.
11
Ver anexo 4 - base de datos materiales ABB transformadores Pereira anexo en formato digital.
57
CAPITULO 4
DESARROLLO DE LOS CIRCUITO DE CONTROL CON EL SOFTWARE
“ELCad” EJEMPLO DE LA IMPLEMENTACION DE DISEÑOS.
Con el conocimiento en general de los diferentes conceptos a los cuales se refiere el
diseño de los circuito de control y protección ,y con las bases de datos necesarias para la
implementación, se tiene a continuación la secuencia de elaboración de un proyecto
siguiendo los parámetros establecidos en la empresa ABB transformadores con sede en la
ciudad de Pereira, este es un concepto general que se debe tener en la elaboración de
cualquier proyecto y que permite según los resultados obtenidos una optimización de los
recursos, el tiempo y la fabricación de los mismos.
El programa “ElCad” permite la administración del proyecto por medio de una serie de
carpetas las cuales han sido estandarizadas en la empresa de la siguiente manera:
1. NOMBRE DEL PROYECTO
1.1 ESQUEMAS GENERALES
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
1.1.5
DIAGRAMAS DE CONEXIÓN
DIAGRAMAS DE ACCESORIOS
HOJAS DE BORNERAS
LISTA DE MATERIALES
INDICE DE PLANOS
Grafico 38. Esquema del administrador del proyecto por carpetas y sus planos.
58
Teniendo en cuenta esta discriminación, el proyecto se puede generar de dos maneras,
como un proyecto nuevo o utilizar un proyecto ya creado para tomar como base, el
programa toma esta acción como proyecto con o sin modelo.
12
Para realizar un proyecto con modelo es importante tener una base de proyectos bien
establecida con la cual se pueda ahorrar trabajo a la hora de realizar proyectos nuevos, es
habitual que las características de los circuitos de control y protección de los proyectos
sea similar teniendo en cuenta parámetros comunes en los transformadores como son la
potencia y los niveles de tensión.
Algo importante cuando se necesita realizar los diseños de control y protección de los
transformadores es tener en cuenta las normas internacionales para el diseño de los
circuitos, los parámetros de diseño establecidos por la empresa en este caso ABB
transformadores y por ultimo tener en cuenta las especificaciones y necesidades del
cliente; partiendo de estos tres conceptos se tendrá un diseño optimo que cumpla con
todos los requerimientos y aporte al desarrollo tecnológico de la empresa.
Grafico 39. Base de proyectos generada en la empresa ABB transformadores.
12
Ver anexo 5 - base de proyectos ABB transformadores Pereira anexo en formato digital.
59
Diagramas de conexión
La primera parte para el diseño de los circuitos es la generación de los planos en los
cuales se plasmaran todos los elementos que componen los circuitos internos del gabinete
de control, entre estos circuitos internos se encuentran los de alimentación, calefacción y
servicios auxiliares, control y fuerza del sistema de enfriamiento y señalización.
Al crear el proyecto en el programa ElCad es necesario definir el cajetin con el cual se
trabajaran todos los circuitos, gracias a la estandarización del proceso se tiene definido un
cajetin para ABB transformadores, la información colocada en este, permitirá que se
generen los consecutivos y la información de referencia automáticamente desde la
creación del primer plano.
La información introducida en el cajetin debe ser: nombre del proyecto, característica del
transformador (transformador o autotransformador), código del proyecto (código propio
de una secuencia generada por ABB transformadores), niveles de tensión y de potencia
del transformador, referencia del plano, nombre del cliente, edición, y los datos del
ejecutor del diseño y de las personas encargadas de revisarlos. Cuando esta información
es colocada en el primer plano automáticamente se transfiere a los demás planos
generados.
El primer plano en la carpeta de diagramas de conexión, es llamado circuito de
alimentación y protección general; en el se definen los niveles de tensión con los cuales
la subestación va a suplir el gabinete de control y a sus diferentes circuitos,
habitualmente se tienen dos tipos de alimentación una de corriente alterna y otra de
corriente directa; esta información se encuentra en las especificaciones del cliente.
Con los niveles de tensión de alimentación definidos se coloca el primer nivel de
protección de todos los circuitos que va a tener el gabinete de control y por ende todos
los circuitos que se tienen que suplir para cumplir las necesidades de control y protección
del transformador. El primer nivel de protección se realiza por medio de interruptores
termomagnéticos los cuales poseen dos tipos de protección, protección contra
sobrecorrientes (termo) generadas aguas arriba o aguas debajo de los circuitos y una
protección contra sobrecargas (magnéticos).
La alimentación depende de los niveles de tensión y de la naturaleza de la señal AC o
DC, en la aplicación que se realiza en ABB transformadores, los interruptores
termomagnéticos ABB pueden funcionar tanto para corriente directa como alterna y
adicionalmente poseen un gran rango de nivel máximo de tensión con el cual se puede
asegurar un excelente funcionamiento. Esta característica facilita la tarea del diseñador y
permite tener una menor probabilidad de errores. Cabe tener en cuenta que es importante
tener en la base de datos de materiales el respectivo símbolo de este tipo de interruptor.
En los circuitos creados es común tener interruptores para uno, dos o tres polos esto
quiere decir una alimentación monofasica (un polo, por que el neutro habitualmente no es
protegido), un alimentación DC o monofasica con dos hilos (dos polos) y finalmente una
60
alimentación trifásica (tres polos). La capacidad de corriente del interruptor depende de
la carga que este va a proteger, los rangos de corriente varían entre 3 y 40 A, los
interruptores con nivel de corriente mas grandes son aquellos que protegen cargas
conformadas por motores. Como una necesidad de control los interruptores poseen un
contacto auxiliar el cual actúa en una situación de falla como un disparo, este contacto
auxiliar es utilizado en el circuito de señalización.
Los circuitos de alimentación tienen una protección principal la cual es la primera en
actuar con el objetivo de impedir la destrucción del menor número de elementos ubicados
en el gabinete de control debido a una falla que venga del circuito de la subestación. En
algunas aplicaciones es común encontrar reles vigilantes de tensión los cuales son un
nivel más especializado de protección ya que estos tienen la facultad de accionarse ante
la presencia de un bajovoltaje o un sobrevoltaje, y tener contactos que actúan al trabajo o
a al reposo, igualmente poseen opciones de temporizado con el fin de controlar
transitorios en el circuito de alimentación.
El numero de interruptores termomagnéticos depende del numero de circuitos que se van
a controlar en el gabinete de control y de los accesorios tanto análogos como digitales
que van a estar instalados en el transformador.
Grafico 40. Secuencia de protección circuito de alimentación.
61
La representación grafica de los interruptores termomagnéticos generados en los planos
de la empresa ABB transformadores esta establecida por los dos tipos de protección
enunciados anteriormente y la nomenclatura para este elemento es definida por la letra –F
(-F1, -F2- etc.), esto con el fin de que tanto las personas que realizan la construcción del
gabinete como el cliente puedan identificar el elemento de una manera sencilla.
Grafico 41. Interruptores termomagnéticos ABB
Por otro lado los puntos de conexión del circuito de alimentación, o sea las borneras, son
aquellas que poseen una capacidad de corriente mayor, debido a las cargas que se
encuentran aguas a bajo de ellas. Estas borneras son las más robustas y están en la
capacidad de soportar conexiones de los cables mas grandes presentes en el gabinete de
control eso quiere decir un cable AWG 10.
Las borneras de alimentación son denominadas en cualquier plano elaborado por ABB
transformadores con –X1, desde esta numeración se siguen identificando los grupos de
borneras según los circuitos a los cuales estas están conectadas.
El conjunto de estos elementos en este primer plano permite identificar la cantidad de
circuitos con los cuales se van a cumplir las funciones de control y protección en el
transformador, permite identificar las cargas a las cuales va estar trabajando el sistema de
alimentación auxiliar de la subestación y permite generar las primeras referencias
cruzadas ya que después de salir de los interruptores termomagnéticos el circuito se
despliega en un serie de circuitos que cumplen funciones especiales. El primero de los
circuitos que se despliega del circuito de alimentación es el de calefacción y servicios
auxiliares.
Este circuito esta constituido por tres partes, la primera brinda iluminación al gabinete de
control, el segundo el sistema de calefacción y el último se tiene una alimentación
auxiliar del gabinete de control en el caso que se necesiten realizar trabajos en el mismo.
Todas las partes de este circuito generalmente están alimentadas con corriente alterna
fase y neutro. En algunas ocasiones se presenta alimentación auxiliar trifásica por medio
de una toma trifásica e iluminación manual con corriente directa.
62
La primera parte de este circuito, el sistema de iluminación esta constituido por un
dispositivo final de carrera (-S1), este posee un pin el cual actúa como un pequeño
interruptor, cuando el pin del final de carrera entra en contacto con la puerta del gabinete
de control abre un contacto interrumpiendo así el paso de la corriente, por esta razón
cuando el gabinete se encuentra cerrado internamente la bombilla se encuentra apagada,
cuando la puerta se abre el pin vuelve a su posición inicial cerrando nuevamente el
contacto permitiendo que se alimente una bombilla interna (-E2) la cual ilumina el
gabinete con el objetivo de que se pueda observar su interior y se puedan realizar trabajos
en el.
Grafico 42. Circuito de iluminación y sus componentes
La segunda parte del circuito es el sistema de calefacción, este no permite que en el
interior del gabinete haya condesanción de agua la cual deteriora los equipos y permite
que se generen situaciones de falla como puede ser un corto. El primer elemento es el
higrostato (-B1) el cual es un dispositivo que sensa la humedad relativa del ambiente
tomando como referencia una escala graduable por el operador, cuando se sobrepasa los
niveles determinados de humedad el higrostato cierra un contacto, dando lugar a que pase
una corriente la cual pasa por una resistencia calefactora (-E1), la disipación de calor que
se genera en esta resistencia es la que permite mantener una temperatura y así impedir la
condensación, la resistencia posee una potencia la cual es proporcional a la cantidad de
calor generada y es determinada dependiendo de cuan grande sea el gabinete de control.
Para algunos casos en ves del higrostato se utiliza un reóstato el cual sensa la temperatura
del ambiente y de igual manera cuando sus parámetros son sobrepasados da paso a la
corriente que energiza la resistencia.
63
Grafico 43. Circuito de calefacción y sus componentes.
Finalmente encontramos la alimentación auxiliar que no es mas que un toma monofasico
o trifásico dependiendo de la aplicación (-TOC), el toma permite que se conecten
dispositivos para realizar trabajos dentro del gabinete de control en tareas de
mantenimiento e instalación. El toma según normativa RETIE debe poseer una
protección para trabajos a la intemperie por eso motivo los tomas que se instalan en los
gabinetes de control de los transformadores son del tipo GFCI.
Grafico 44. Componente circuito de alimentación auxiliar.
Este plano es denominado circuito de calefacción y servicios auxiliares y es parte
fundamental de todos los gabinetes de control. Este es el segundo plano a ser generado en
la carpeta de diagramas de conexiones.
64
Cuando el transformador esta diseñado para trabajar con un sistema de enfriamiento es
necesario diseñar un circuito que controle el funcionamiento de este sistema, el sistema
de enfriamiento esta conformado por etapas, el número de etapas depende de la
capacidad de sobrecarga que va a soportar el transformador, en los transformadores
diseñados y construidos en la empresa ABB transformadores el sistema de enfriamiento
es realizado por ventiladores, cuando la aplicación se realiza por medio de ellos, el
sistema es denominado de aceite natural, aire forzado (ONAF, oil natural air force).
Para este circuito primero se tiene que definir el nivel de tensión al cual va a funcionar, el
conocimiento del tipo de alimentación es importante ya que con esto se selecciona los
reles y los contactores que poseen bobinas que funcionan a un tipo de tensión ya sea de
corriente alterna o continua, la frecuencia cuando se utiliza una corriente alterna y un
rango de tensión.
El circuito inicialmente esta constituido por una serie de selectores que permiten la
interacción del sistema con el operador, los selectores se encuentran ubicados de una
manera de mando en la cual se realiza una energizacion en cascada dependiendo de la
combinación de enclavamiento de contactos entre un selector y otro.
El selector principal permite que el sistema de enfriamiento sea operado de una manera
local o remota, cuando nos referimos a un control local hablamos de una secuencia de
selectores ubicados en el gabinete de control, mientras tanto cuando hablamos de control
remoto se habla de la opción de mando que tiene el operador de red desde la subestación.
Si el enclavamiento se realiza sobre el control local, el siguiente selector permite
seleccionar dos formas de encendido de las etapas del sistema de enfriamiento, una es de
forma manual y la otra es en forma automática, el modo manual permite que en cualquier
momento sea encendido el sistema de enfriamiento, esto se logra por medio del
enclavamiento de un selector de encendido o apagado que controla la energizacion de la
bobina de mando de un rele, en modo automático el mando de encendido o apagado se
realiza por medio de contactos secos que posee el termómetro de devanados o de aceite,
estos contactos actúan cuando el termómetro sensa una temperatura limite establecida, al
actuar el contacto permite la energizacion de la bobina de mando del rele.
65
Grafico 45. Circuito de control sistema de enfriamiento, secuencia de operación selectores.
En cualquiera de los dos casos lo que se esta permitiendo es que actué el rele de control y
realice el enclavamiento mecánico de los contactos del contactor el cual alimenta el
circuito de fuerza de los ventiladores.
Los selectores utilizados en estos circuitos están en la capacidad de soportar los niveles
de tensión establecidos, y poseen un enclavamiento mecánico con el cual se pueda
asegurar la función que realizan, la forma física de los selectores es modular con el fin de
poder instalarlos de manera sencilla. Los selectores pueden ser de tres estados los cuales
son utilizados en los selectores LOCAL – 0 – REMOTO (-S2.L, -S2.R) y MANUAL – 0
– AUTOMATICO (-S3.M, -S3.A) y de dos estados para APAGADO – ENCENDIDO (S4).
Grafico 46. Selectores ABB y sus componentes.
66
Este sistema se repite según el número de etapas que posea el transformador. El
enclavamiento remoto es llevado a borneras, con el fin de que el cliente monte un sistema
igual en la subestación y llegue con los retornos de los enclavamientos a conectarse a las
borneras y habilitar así, la energizacion de la bobina de mando del rele.
El rele de control (-K20), es un rele que posee una bobina la cual al energizarse acciona
los contactos auxiliares del mismo, la otra parte del circuito esta constituido inicialmente
por uno de los contactos del rele de control, este contacto garantiza que solo se podrá
enclavar y activar el circuito de fuerza por medio de la energizacion del rele de control.
Grafico 47. Esquema del rele contactor ABB.
Aguas a bajo de este contacto auxiliar del rele de control se encuentra una serie de
contactos auxiliares de las protecciones de los motores, estos contactos tienen la
particularidad de que se accionan con el cambio de posición del enclavamiento mecánico
de la protección, por tal razón solo se podrá energizar la bobina del contactor cuando las
protecciones de los motores se hayan accionado, si estas no se ha enclavado
mecánicamente el operador no podrá realizar una maniobra con la cual se pueda correr
algún riesgo y garantiza un nivel de seguridad al dejar única y exclusivamente la
alimentación del circuito de fuerza al accionar correcto del sistema de control.
67
La secuencia de operación y los niveles de protección están definidos por:
•
•
•
•
La energizacion de la bobina del rele de control (-K20).
El accionar del contacto auxiliar del rele de control cambiando de estado de
abierto ha cerrado.
El enclavamiento mecánico de las protecciones de los motores, dando lugar a que
sus contactos auxiliares también cambien de estado de abierto ha cerrado (-Q11, Q12, -Q13).
Finalmente la energizacion de la bobina del contactor (-KM1) que accionara los
contactos del mismo en forma simultanea (tres contactos en el caso de una
conexión trifásica) y permitirán la alimentación de los motores de los
ventiladores.
Grafico 48. Secuencia de operación encendido de los motores de los ventiladores.
El circuito de control finalmente posee una serie de contactos auxiliares adicionales de
las protecciones del motor que ha diferencia de los utilizados para el encendido de los
motores, estos actúan ante una falla de la protección, esto quiere decir que actúan como
un disparo, permitiendo así la energizacion de una lámpara de señalización (-H1) que esta
ubicada en el gabinete de control y que tiene como objetivo el de generar una señal
lumínica de alarma para que el operador de la subestación pueda identificar el problema
en el menor tiempo posible.
El numero de lámparas depende del numero de etapas del sistema de enfriamiento, las
lámparas poseen características particulares como lo es un led que funciona a diferentes
rangos de tensión y tipo de alimentación (AC o DC), sistema modular con el fin de poder
realizar una instalación sencilla y un grado de protección adecuado con el fin de evitar
una conflagración dentro del gabinete de control.
68
Grafico 49. Lámparas de señalización ABB y sus componentes.
El sistema de enfriamiento esta compuesto por una parte de control, el cual fue
anteriormente descrito y una parte conocida como circuito de fuerza, este no es más que
la parte de alimentación a los motores de los ventiladores o de los dispositivos utilizados
para realizar el enfriamiento del elemento aislante del transformador.
El circuito de fuerza del sistema de enfriamiento tiene la finalidad de ser un circuito de
protección de los motores, para cumplir esta tarea el circuito esta constituido por una
serie de elementos denominados protecciones de baja tensión, estos están en la capacidad
de soportar altos niveles de tensión, corrientes de arranque y transitorios debido a la
naturaleza de las cargas a las cuales están protegiendo.
El primer nivel de protección esta establecido por contactores (-KM1) de potencia los
cuales están coordinados según el actuar de sus bobinas que están relacionadas en el
circuito de control, y son aquellas que permiten el enclavamiento mecánico de los
terminales de potencia. El contactor tienen un nivel de corriente de operación la cual
depende del numero de motores de ventiladores a los cuales esta protegiendo, el
contactor también esta en la capacidad de soportar los picos de las corrientes de arranque
que se presentan a la hora de la energizacion de los motores.
Grafico 50. Esquema del contactor ABB.
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Aguas abajo del contactor de potencia encontramos los guardamotores, estos se presentan
uno por cada motor utilizado por el transformador para realizar la tarea de enfriamiento,
esta protección es especializada y posee un rango de corriente que depende de la
corriente nominal del motor, esta corriente puede ser graduada en el guardamotor por
medio de un rango de operación que este posee, la protección que realiza el guardamotor
sobre los motores, es contra sobrecorrientes y sobrecargas las cuales son las fallas mas
comunes en estos equipos.
Grafico 51. Secuencia de operación circuito de fuerza sistema de enfriamiento.
El guardamotor (-Q11, -Q12, -Q13) es un equipo que posee un enclavamiento mecánico
que permite el paso de tensión, y una serie de contactos auxiliares que funcionan ya sea
como señalización de disparo o señalización de posición, estos contactos son utilizados
en el circuito de control como fue demostrado anteriormente y en el circuito de
señalización que será utilizado por el cliente, esto con el objetivo de que sepa cuando uno
de los motores esta fallando y pueda remediar el problema.
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Grafico 52. Protección motores, guardamotores ABB.
Por ultimo en los diagramas de conexión el último circuito diseñado es el de
señalización, este se caracteriza por recopilar todas las señales de falla o alarma que se
puedan tener en el gabinete de control debido a fallas en los equipos que han sido
instalados en los circuitos anteriores.
El circuito de señalización recoge cada uno de los contactos de los dispositivos
(interruptores termomagnéticos, reles, selectores, contactores y guardamotores) y los
pone a disposición del cliente con la intención de que este en la sala de control de la
subestación implemente un sistema de anunciación ya sea por medio de señales lumínicas
o la adquisición de estas señales utilizando dispositivos de anunciación de alarmas.
El circuito de señalización es la opción remota de protección de los circuitos internos de
los gabinetes de control, y por ende garantizan la funciónhabilidad del diseño.
Grafico 53. Circuito de señalización, contactos auxiliares elementos de protección del gabinete de control.
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Diagramas de accesorios
En los planos o esquemas generados en esta carpeta del proyecto, se plasman
gráficamente todos los accesorios de protección del transformador con el fin de incluirlos
en un circuito del cual se pueda recoger todas las señales que estos dispositivos están en
la capacidad de sensar y así poder trasferir esta información a la sala de control donde se
encuentran los equipos que pueden en un momento de una falla desconectar el
transformador de la red y así impedir un daño al sistema.
Cada elemento de protección ya ha sido generado en la base de datos con sus
características respectivas, por lo cual el diseñador debe decidir cuales señales va a
utilizar y en que forma se van a organizar para que al cliente le quede más fácil la tarea
de adquisición de datos.
Los contactos de los dispositivos son separados en dos circuito inicialmente, un circuito
con señales de alarmas y otro circuito con señales de disparo, entre estos dos circuitos
existe una particularidad y es que el tiempo de respuesta de cualquier elemento que tenga
incluido sus contactos en el circuito de disparo debe ser rápido y no debe tener
obstáculos, por esta razón los contactos incluidos en el circuito de disparo tienen una
trayectoria directa a la subestación, esto se realiza con el objeto de que las protecciones
de la misma actúen de manera rápida a un fallo grave, ya que los disparos son
considerados situaciones de extrema gravedad.
Los contactos incluidos en el circuito de alarmas, actúan de una manera preventiva, ya
que permiten al operario realizar una maniobra con el objetivo de corregir un percance,
por tal razón habitualmente estos contactos pueden ser llevados a reles repetidores, los
cuales son reles que poseen un bobina la cual cuando es energizada acciona una serie de
contactos instantáneamente, estos a su vez son llevados a la subestación con el fin de ser
conectados a diferentes sistemas de anunciación de alarmas, es el caso de sistemas
lumínicos compuestos por lámparas de señalización, sistemas sonoros los cuales están
compuestos por bocinas o a un sistema electrónico o digital el cual puede transmitir
información a plataformas de representación grafica como lo es un sistema SCADA.
Independiente del circuito que se este manejando cada uno posee un común el cual es
denominado el positivo del circuito y los demás son considerados los retornos los cuales
van independientes por señal transmitida, con estos puntos se cierra el circuito, este
sistema es implementado por la empresa ABB transformadores con el objetivo de
facilitar la construcción del gabinete de control y permitir al operador de la subestación
un manejo de señales sencillo sin tanto cableado, el cual llega a ser un dolor de cabeza a
la hora de realizar la implementación en las subestaciones.
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Común alarmas
Común disparos
Retornos
Grafico 54. Circuito de accesorios, señales de alarma y de disparo.
En algunos proyectos se encuentran aplicaciones especiales las cuales están enmarcadas
por tipos de señales diferentes a contactos secos, este tipo de señales generalmente se ven
enmarcadas en señales de corriente o en señales ohmnicas.
Este tipo de señales se independizan de los circuitos anteriormente nombrados y son
llevados directamente a las borneras o puntos de conexión, para las señales de corriente
que generalmente están en un rango de 4 a 20 mA (tipo de señal estandarizado en los
dispositivos electrónicos) se tiene que soportar el circuito por medio de una fuente de
tensión DC, normalmente de 24 V, con el objetivo de mantener el nivel de corriente
cuando el circuito es lo suficientemente largo, este caso sucede cuando la subestación se
encuentra alejada al punto donde se encuentra instalado el transformador, con esto se
asegura que la señal sea lo mas precisa posible y no se tenga caída de tensión a lo largo
del circuito.
Para el caso de una señal ohmnica el circuito no debe tener ningún obstáculo y debe
llegar al equipo de adquisición de la manera más directa y en lo posible cercana, esta
aplicación es utilizada en cortas distancias.
En los diagramas de accesorios se encuentra otro circuito, el de los transformadores de
corriente, este circuito es la interconexión de los transformadores de corriente que se
encuentran instalados en el interior del transformador y el gabinete de control, esta
interconexión se logra gracias a unos bloques de conexión instalados en la tapa del
tanque del transformador que aíslan la conexión desde el interior del transformador al
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exterior, después de que la conexión a quedado totalmente aislada, esta es cableada al
gabinete de control, allí llega a borneras especiales, las cuales tiene una capacidad de
corriente mayor y tienen la particularidad de poder aislar el circuito utilizando unos pines
que abren o cierran la conexión dependiendo del estado de interfase de la señal, cuando
los transformadores de corriente no se encuentran conectados a ningún dispositivo de la
subestación, los terminales del transformador de corriente son corto circuitados y
llevados a tierra, cuando los transformadores de corriente están en funcionamiento se
quitan los puntos de cortos y se abre las borneras con el fin de permitir el paso de la
corriente y por ende la transmisión de la señal.
Los transformadores de corriente cumplen dos funciones, una de protección por lo cual
en la subestación permite dar parámetros de los niveles de corriente con el fin de accionar
protecciones como lo son reles diferenciales o interruptores de potencia, y una de medida
que permite al operario de la subestación tener en tiempo real una lectura de la corriente
del sistema y así monitorear el comportamiento del mismo. Por estas virtudes el circuito
es indispensable a la hora de realizar los diseños respectivos.
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En el diseño del circuito de los transformadores de corriente es importante plasmar la
información necesaria con el objetivo de que no haya riesgos a la hora de manipular las
señales, esta información es:
•
•
•
•
•
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Relación de transformación del transformador de corriente.
Numero de terminales del secundario del transformador de corriente.
Capacidad de carga del transformador de corriente denominada también Burden.
Clase de presicion esta varia dependiendo de la naturaleza del transformador de
corriente.
Polaridad a la cual esta conectado el transformador de corriente.
IEEE Standard requirements for instrument transformers. IEEE std. C37.13-1993.
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Información
Grafico 55. Circuito de accesorios, transformadores de corriente.
La ultima representación de circuitos en los diagramas de accesorios se realiza cuando el
transformador posee un conmutador bajo carga, el cual es un dispositivo utilizado para
controlar la regulación del transformador sin desenergizar el transformador y así poder
mantener los niveles de tensión evitando problemas en la red.
Este accesorio se encuentra instalado dentro del transformador, pero posee un terminal de
control el cual esta enlazado en conjunto con el gabinete de control, este sistema de
control es representado como un circuito y permite realizar maniobras del conmutador de
forma remota, adicionalmente permite adquirir señales que suministran información a la
subestación referente al accionar de las conmutaciones.
Este circuito es utilizado para permitir la conmutación ya sea subiendo o bajando de los
taps del conmutador, dentro del transformador esta acción no es mas que el aumentar o
disminuir espiras en un devanado de regulación con el fin de mantener estable el voltaje
en su valor nominal, por otro lado mediante una serie de coronas portenciometricas se
realiza la adquisición de señales con el objetivo de visualizar en que posición se
encuentra el conmutador y mantener así un control y monitoreo del comportamiento del
circuito en cuanto a la regulación de tensión.
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Grafico 56. Circuito de accesorios, circuito conmutador bajo carga.
Referencias cruzadas
Después de generar los circuitos y plasmarlos en los planos, el diseñador cuenta con una
herramienta del programa que permite realizar las referencias o relaciones entre los
elementos y sus componentes, un caso de estos es la referencia que se genera entre un
contactor representado por una bobina y sus contactos auxiliares los cuales se encuentran
en otros planos y en otros circuitos.
La referencia cruzada permite al diseñador la secuencia de funcionamiento del circuito y
permite relacionar la funcionabilidad del equipo con el fin de obtener las acciones que se
necesitan. Las referencias cruzadas adicionalmente permiten al fabricante de los
gabinetes de control interpretar el circuito y así no cometer errores a la hora de realizar
las conexiones respectivas.
Esta tarea es realizada por el programa automáticamente basándose en la información
generada en las líneas de dialogo que posee cada elemento y en la definición del tipo de
símbolo ya que la referencia cruzada surge entre la relación de un elementos maestro y
un esclavo.
Esta acción facilita el trabajo del diseñador e impide que haya problemas en los diseños.
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Referencia cruzada
Grafico 57. Ejemplo de una referencia cruzada.
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Hojas de borneras
La generación de las hojas de borneras es otra función realizada automáticamente por el
programa, basándose en la forma en que se han plasmado los circuitos, las características
de los símbolos utilizados y los puntos de borneras generados en los planos, con esta
información el programa automáticamente plasma en los formatos de hojas de borneras la
información asegurándose de una correspondencia exacta de lo plasmado en los
diagramas de conexión y de accesorios.
El buen resultado en la generación de las borneras, solo se logra con una base de datos
bien elaborada que permita utilizar la información y esta a su vez sea plasmada de la
manera más coherente en el formato de hojas de borneras.
La información que se encuentra en las hojas de borneras se ve relejada en:
•
•
•
•
•
Numero de borneras, designación y característica física de las mismas.
Elementos que están conectados en ellas, adicionalmente la cantidad de cables y
la ubicación por la cual debe llegar la conexión.
Ubicación de la bornera en los planos de diagramas de circuito y de accesorios.
Tipos de puentes en el caso de que exista alguno entre las conexiones a las
borneras.
Características del cable que se esta conectando.
Grafico 58. Hojas de borneras
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Listas de materiales e índice de planos
De la misma manera en que las hojas de borneras son una acción del programa, la
generación de la lista de materiales y el índice de planos son realizados de manera
automática.
El programa realiza un análisis y toma la información que se ha colocado en los símbolos
y en los planos generando unas listas internas, con esta información recopilada el
diseñador tiene la oportunidad de revisar y modificar la información con el objetivo de
plasmar solo la información necesaria para la identificación de los elementos.
Después de esto el programa desde sus listas internas genera el listado de materiales y el
índice ahorrando tiempo que el diseñador puede utilizar en los diseños de los circuitos
como tal, esto permite que la tarea se enfoque en conseguir resultados y adicionalmente
se pueda generar la información que importa a la hora de realizar la fabricación del
gabinete de control que es donde se vera plasmado físicamente los diseños.
Para que el programa realice de manera eficiente esta tarea es de nuevo indispensable que
se haya generado una buena base de datos.
Grafico 59. Lista de materiales.
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Grafico 60. Índice de planos.
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PARTE III
Análisis de resultados
Conclusiones y recomendaciones
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Análisis de resultados
La implementación por medio del programa ELCad permite al ingeniero de diseño de la
empresa ABB transformadores configurar circuitos de una manera ágil y confiable,
debido a que los procesos han sido automatizados gracias a las aplicaciones del
programa y a su relación con las bases de datos generadas para dichas tareas.
El proceso de integración y construcción de los gabinetes de control que es el espacio
físico donde están alojados estos circuitos de control y protección, presenta una mejor
elaboración teniendo en cuenta estándares de calidad establecidos no solo por la empresa
ABB transformadores sino por las normativas nacionales e internacionales presentes en
este campo.
Los tiempos de elaboración de diseños de los circuitos de control y la elaboración de los
mismos por parte del personal encargado a aumentado su productividad al disminuir el
tiempo en el proceso y adicionalmente teniendo menor números de errores.
Los circuitos elaborados por medio del programa se muestran de una manera coherente y
clara con respecto a su funcionamiento, aplicación y conexión gracias a la información
suministrada no solo por el diseñador sino por los formatos adecuados para suplir esta
necesidad en el programa ELCad.
Conclusiones y recomendaciones
Se genero una metodología de diseño basada en la utilización del programa
ELCad, desde la creación de los elementos utilizados por la empresa ABB hasta
la representación de circuitos estandarizados.
Se creo la base de datos para las aplicaciones de la empresa ABB transformadores
estandarizando sus productos y mejorando los procesos de diseño de los circuitos.
Se redujo en la mitad del tiempo el diseño de los circuitos de control de los
transformadores.
Se automatizo la tarea de diseño de los circuitos de control y de protección
dándole un valor agregado al proceso de construcción de los transformadores de
potencia.
Se bajaron los costos en la construcción de los circuitos gracias a la identificación
de sistemas redundantes en los circuitos.
Se elimino casi en su totalidad errores en los circuitos, sus configuraciones, sus
conexiones y referencias, gracias a las tareas automáticas realizadas por el
programa ELCad.
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PARTE IV
ANEXOS
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ANEXO 1
Tipos de símbolos programa “ElCad”
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ANEXO 2
Códigos para la generación de diálogos programa “ElCad”
85
ANEXO 3
Descripción de comando para la elaboración grafica
programa “ElCad”
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BIBLIOGRAFIA
[1] IEEE Standards C37.91 – 2000, Guide For Protective Relay Applications to
Power Transformers, New York - USA, 9 de Octubre 2000. 81 Pág.
[2] IEEE Standards C37.2 – 1996, IEEE Standard Electrical Power System
Device Function Numbers and Contact Designations, New York - USA, 10 de
Diciembre 1996. 34 Pág.
[3]
IEC
(INTERNATIONAL
ELECTROTECHNICAL
COMMISSION),
Recommended Graphical Symbols, IEC 117, Suiza, 1960. 110 Pág.
[4] IEC (INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION), Diagrams,
charts, tables, IEC 113, Suiza, 1960. 220 Pág.
[5] ELCAD 7 Manual del Usuario, AUCOTEC GmbH (A.L.C. System), Barcelona
– España, Febrero 2002, 340 Pág.
87