UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE MECÁNICA ELÉCTRICA ÁREA DE POTENCIA CONVERSIÓN DE ENERGÍA ELECTROMECÁNICA 2 ING. JORGE GILBERTO GONZALEZ PADILLA RESUMEN: “Pad‐mounted – armónicos – índice horario‐ conexión física – distancia de arco eléctrico – medición de armónicos – efectos del armonico ” EDUARDO JOAQUIN LOPEZ ALVARADO 201403812 OBJETIVOS Identificar los diferentes tipos de índice horario Conocer las diferentes conexiones de grupos trifásicos de transformador tanto en forma de circuito eléctrico como en forma física Basados en las normas existentes aprender el mejor método de instalación de un trasformador tipo Pad‐mounted además de un transformador tipo seco Para seguridad de todos y basados en la norma existente determinar la distancia mínima para la formación de arco eléctrico Determinar qué tipos de aparatos se utilizan para medir armónicos y como lo hacen posible en líneas de transmisión Comprender los efectos de los armónicos en los transformadores INTRODUCCION A continuación se presenta una serie de aspectos eléctricos que se ponen en práctica la mayoría de días en el área técnica y practica del área de potencia por lo cual se recomienda leer detenidamente este trabajo porque contiene situaciones que puede encontrar en su área de trabajo diaria y le podrán servir para mejorar su entorno en hora de cualquier percance. Además todo el material presentado se basa en normas existentes y actualizadas lo cual hace que este con una buena base para su aplicación en el campo. Los sistemas de potencia cobran victimas por no usar muchas veces el equipo adecuado o por no tomar en cuenta las medidas de cuidado a tener en cuenta, aunque la tasa de mortalidad por accidentes eléctricos no es tan alta en comparación con otras si se puede afirmar que se debe prepara mejor a las personas a trabajar en el área de potencia. INDICE HORARIO Para relacionar las tensiones y las corrientes primarias con las secundarias, no basta en los sistemas trifásicos con la relación de transformación, sino que se debe indicar los desfases relativos entre las tensiones de una misma fase entre el lado de Alta Tensión y el de Baja Tensión. Una manera de establecer estos desfases consiste en construir los diagramas fasoriales de tensiones y corrientes, conociendo: la conexión en baja y alta tensión (estrella, triángulo o zig‐zag), las polaridades de los enrollados en un mismo circuito magnético o fase, y las designaciones de los bornes. Los tres arrollamientos, tanto del primario como del secundario, se pueden conectar de diversas formas Distintas formas de relación fasorial entre devanado primario y secundario Conexión estrella‐estrella con índice horario o Conexión estrella‐estrella con índice horario 6 CONEXIÓN FISICA DEL TRANFORMADOR ‐Triángulo –triángulo servicio 120/240 voltios, desfase angular 0 según normas americanas Muy utilizados para servicio de energía trifásica a 240 voltios y pequeños porcentajes de energía monofásica a 120/240 voltios. No hay problemas de sobretensiones producidas por la tercera armónica. ‐Estrella‐triángulo servicio 120/240 voltios, desfase angular americanas. 30º según normas Se utiliza para servicio de energía trifásica a 240 voltios y pequeños porcentajes de energía monofásica 120/240 voltios. Si se tiene Transformadores con distintas impedancia y relación de transformación no se produce excesivas corrientes circulantes. No hay problemas de sobretensiones producida por la tercera armónica. ‐Estrella con neutro a tierra‐ triángulo servicio 120/240 voltios, desfase angular 30º según normas americanas Utilizados para servicio de energía trifásica 240 voltios y pequeños porcentajes de energía monofásica a 120/240 voltios. ‐Triángulo– estrella servicio 120/208 voltios, desfase angular 30º según normas americanas. Usada para suministro de energía a 208 y 120 voltios donde ambas tensiones pueden ser tomadas en cualquier de las 3 fases en el secundario. Nos ayuda a distribuir las cargas monofásicas en las tres fases para tener una carga total equilibrada. ‐Estrella con neutro a tierra–estrella servicio 120/208 voltios, desfase angular 0º según normas americanas. Para alimentar cargas monofásicas y trifásicas. Es muy importante tener conectado bien el neutro de los Transformadores al neutro del sistema, de no ser así se podría producir voltajes excesivos en el circuito secundario. INSTALACION DE TRANSFORMADOR TIPO SECO ‐Local de Recepción: Siempre que posible, el transformador debe ser descargado directamente encima de su base definitiva. En caso de haber la necesidad de descargar en local provisorio, hay que verificarse si el terreno ofrece condiciones adecuadas de seguridad y distribución de esfuerzos y también si el local está lo más nivelado y limpio posible. Es conveniente no quitar la protección de plástico hasta que el transformar esteba en su lugar definitivo. ‐Almacenamiento: Los transformadores, cuando no instalados inmediatamente, deben ser almacenados, preferiblemente con su embalaje original de fábrica, en lugar albergado, seco, libre de polvos y gases corrosivos, poniéndolos siempre en posición normal y apartados de áreas con mucho movimiento o sujeto a colisiones. Si necesario, recomendase el uso de una protección de plástico para evitar la acumulación de suciedades. En caso de transformadores que vienen con cubículo protector, hay que ponerse silica gel en su interior para absorber la humedad. Así, el transformador podrá ser almacenado por un largo tiempo sin sufrir cambio de sus características de asilamiento. Los componentes y accesorios, cuando quitados del transformador para transporte o para almacenamiento, deben almacenarse en locales adecuados, tomándose los mismos cuidados que los usados para transformadores. ‐Antes montar el transformador, los siguientes procedimientos deben ser llevados a cabo: •Inspección visual, particularmente con respecto a la nivelación correcta de su base; •Fijación correcta del transformador; •Inspección visual para constatar la no‐ocurrencia de daños durante el manejo; •Confirmación de las especificaciones técnicas con los datos de la placa de identificación del equipo •Evaluación de las conexiones con tierra del transformador. ‐Requisitos básicos para la instalación: Transformadores a seco deben ser instalados sobre fundaciones adecuadamente niveladas y resistentes para soportar su peso. Cuando el transformador posee ruedas, hay que asegurarse que el equipo sea apoyado de forma pareja en sus puntos de base para garantizar su estabilidad y evitar deformaciones. Al instalar transformadores, hay que considerarse cuidadosamente los siguientes factores: •Deberá haber un espaciamiento mínimo de 0,5m entre cada transformador y también entre un transformador y una pared o muro, de manera a facilitar el acceso para inspección y ventilación, pelo sin embargo, dependiendo de las dimensiones del proyecto y de sus voltajes; •El recinto donde se instalará el transformador debe ser permitir una ventilación natural apropiada, ya que eso es un parámetro esencial para el funcionamiento correcto de un transformador a seco. Para tal, es importante que las aperturas de entrada de aire estén localizadas en la parte inferior del transformador y las aperturas de salida estén localizadas en la parte superior del transformador, con dimensiones suficientes para permitir la circulación de aproximadamente 2,5m³ de aire por minuto / kW de perdida. INSTALACION DE TRANSFORMADOR TIPO PAD‐MOUNTED ‐Instalación a La Intemperie: La instalación del transformador debe realizarse en un sitio de fácil acceso donde se garantice el acceso y retiro mediante vehículo grúa o montacarga, con capacidad de izar y transportar el transformador. El transformador debe quedar instalado en un lugar con área libre suficiente que permita la apertura de las puertas del gabinete del transformador, las cuales deben alcanzar un ángulo mayor de 135°. El transformador no se podrá instalar en lugares obligados de tránsito de las personas o en rutas peatonales obligadas. En caso de que el transformador quede cercano a zonas de tráfico vehicular se deben instalar barreras de contención. La base o pedestal de concreto sobre la que se anclará el transformador estará colocada sobre una capa de suelo compactado y rodeada de una capa de grava para contener el 100% del aceite del transformador para un eventual derrame. Las dimensiones de la franja de grava son 50 cm de ancho y 20 cm de profundidad. ‐Instalación en interiores: Es importante destacar que la instalación de un transformador tipo pedestal en el interior debe cumplir con las mismas exigencias para un transformador convencional y las exigidas en la norma NTC 2050. Destacamos la necesidad de construcción de un foso para contener el derrame del aceite y evitar la propagación de un incendio. Aviso preventivo de riesgo eléctrico: deberá colocarse en la parte exterior del transformador, en el frente superior del gabinete o puerta del compartimiento de Media Tensión en la orilla superior, un aviso preventivo de peligro eléctrico, de acuerdo con la norma RA7‐074. Además, se deberá colocar un aviso que indique la existencia de una superficie caliente. El transformador deberá ser instalado en lo posible, en zonas de baja circulación de personas, preferiblemente en zonas de circulación restringidas al tránsito vehicular y peatonal. Si el transformador está instalado en una zona verde pero cerca de la vía, deberán colocarse barreras de contención que eviten en caso de accidente un daño al transformador Tipo Pedestal y respetando las distancias mínimas requeridas BÓVEDAS PARA CENTRO DE TRANSFORMACIÓN La parte C del Articulo 450 del Código Eléctrico Nacional, norma NTC 2050 establece condiciones generales que deben tener los locales para instalar dentro de edificaciones los transformadores aislados en aceite. Básicamente se aplican los artículos 450 ‐ 26 “Transformadores en aceite instalados en interiores “y artículos 450 ‐ 41 al 450 ‐ 48 de la norma NTC 2050.Las Bóvedas (locales reforzados) para transformadores aislados en aceite deben ser ubicadas donde tengan ventilación al aire exterior de manera natural. En caso contrario se utilizarán ductos a prueba de fuego y ventilación forzada. A continuación se relacionan los parámetros de construcción que deben tener las Bóvedas (locales reforzados) para transformadores aislados en aceite. Las paredes y techos de las bóvedas deben ser construidos en materiales que tengan la resistencia estructural adecuada para las condiciones de uso y que sean resistentes al fuego, mínimo 3 horas. El piso debe ser de concreto, con un espesor mínimo de 10 cm cuando la bóveda se construya directamente en contacto con el terreno natural y cuando se construya sobre áreas vacías o sótanos, además de soportar la carga estructural también debe resistir el fuego durante mínimo 3 horas. Cuando la capacidad del transformador aislado en aceite no exceda de 112,5kVA, las paredes podrán construirse en hormigón armado de un espesor no menor de 4” (10,2 cm). Una construcción típica de resistencia al fuego durante 3 horas es una pared o placa de concreto reforzada de 6 pulgadas (15,2 cm) de espesor o un muro construido en ladrillo recocido instalado en tabique de 20 cm de ancho. Como excepción, se permite la construcción de bóvedas para transformadores con resistencia al fuego de una hora, cuando estén dotados de rociadores automáticos de agua o elementos químicos apropiados para extinción de incendios. Los transformadores aislados en aceite deben tener foso y brocal en el umbral de la puerta del local para confinar el líquido dieléctrico y evitar que se trasmita a otras áreas. La altura debe dimensionarse de forma que permita confinar dentro de la bóveda el aceite del transformador. En ningún caso la altura del brocal debe ser menor de 10 cm En bóvedas para transformadores instaladas en edificios con acceso desde el interior o en algunos casos con acceso desde el exterior, cuando exista material inflamable cercano, tanto la puerta como el marco deben ser resistentes al fuego mínimo de tres (3) horas, de dos (2) hojas y cierre hermético, del tipo oscilante abriendo hacia afuera, fabricada en lámina de acero galvanizado calibre 14 BWG como mínimo de 2mm de espesor, con aislamiento térmico que garantice las características dadas en la Norma NFPA ‐ 80, vigente. La chapa de la puerta debe ser de acero, de fácil apertura y solo se permitirá el acceso a personal autorizado. La puerta debe tener incluida una manija antipánico resistente al fuego por tres (3) horas que abra desde el interior de la bóveda y una cierra puerta que garantice que la puerta se cierre ante una salida rápida de la bóveda. ARCO ELECTRICO Un arco eléctrico es una descarga disruptiva generada por la ionización de un medio gaseoso (por ejemplo, el aire) entre dos superficies o elementos a diferente potencial. El arco es un fenómeno caótico (es decir, no lineal y fuertemente dependiente de las condiciones iniciales), complejo (depende de muchos factores como el medio físico donde se produce, la intensidad de corriente o la forma y materiales de la instalación eléctrica en tensión) y que puede originarse, tanto por un fallo técnico como por un error humano (caída de herramientas, maniobra inadecuada, etc.). Los estudios técnicos, recomendaciones y guías de seguridad eléctrica actuales, establecen la necesidad de evaluar el riesgo asociado al arco eléctrico, en trabajos en o próximos a instalaciones, donde existan tensiones superiores a 250 V (tanto en alterna como en continua), bajo ciertas circunstancias. Cuando tiene lugar un arco eléctrico, se produce un flujo de cargas eléctricas y una gran liberación de energía y sustancias peligrosas, entre las que cabe destacar: •Energía térmica, produce gran aumento de temperatura en las inmediaciones del arco. •Onda de presión, que produce destrucciones mecánicas sobre las instalaciones y daños físicos sobre los trabajadores. •Gases tóxicos y metralla, debida a las altas tempera‐turas que se alcanzan durante el arco. •Radiaciones electromagnéticas, principalmente ultra‐violeta (UV) e infrarroja (IR). IEEE 1584‐2002 Guía para el cálculo de los riesgos derivados del arco eléctrico (Guide for Performing Arc‐Flash Hazard Calculations) Esta norma elaborada por el IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) proporciona métodos muy potentes para el cálculo de la energía calorífica incidente sobre los trabajadores. Tal es la importancia de dichos métodos, que también están recogidos en la propia norma NFPA 70E‐ 2009. El uso de las ecuaciones recogidas en esta norma está más extendido que las que recoge la norma NFPA 70E, ya que aunque son más complejas (utilizan más variables de la instalación en estudio), su ámbito de aplicación es más amplio y sus resultados más precisos. Sistemas y medidas que disminuyen la energía del arco: 1) Planificar la realización del trabajo sin tensión. 2) Ajustar las impedancias del sistema de tierra que afectará al trabajo. 3) Aumentar la impedancia del transformador de alimentación del circuito sobre el que se va a trabajar. 4) Ajustar la coordinación de los dispositivos de protección de la instalación sobre la que se va a trabajar. 5) Sustituir dispositivos de protección de alto rango por varios de inferior rango. Sistemas y medidas que aumentan la distancia al arco: 1) Realizar las maniobras de forma remota. 2) Situar los dispositivos de interrupción y control alejados de los elementos en tensión sobre los que actúan. 3) Utilizar vestimenta eléctrica que soporte los fenómenos y energías asociadas al arco. 4) Señalizar adecuadamente los lugares de trabajo, para indicar la entrada dentro de los límites de la zona de seguridad frente al arco (FPB) y asimismo, señalizar y marcar la posible energía calorífica incidente en equipos sobre los que se suele realizar maniobras o realizar operaciones de mantenimiento en tensión. El arco eléctrico es uno de los principales riesgos a los que se ven expuestos los trabajadores de instalaciones eléctricas. Cuando se produce un arco, se desencadena una fuerte liberación de energía y se producen muchos fenómenos diferentes. Actualmente, el riesgo térmico asociado al arco, es el riesgo en el que más se ha avanzado y sobre el que se han planteado más medidas preventivas. En la evaluación frente a los riesgos térmicos asociados al arco, es fundamental establecer dos elementos: la zona de peligro frente al arco, a través del “límite de seguridad frente al arco” (FPB) y una estimación de la energía calorífica incidente sobre los trabajadores dentro de dicha zona. MEDICION DE ARMONICOS Para la medición, se utilizó un analizador de calidad de potencia METREL, modelo Power Quality Analyser‐Plus MI 2292, de 0,1 V de resolución y precisión igual a ±0,5 % de la lectura ±2 dígitos para las mediciones de tensión. Los datos se registraron durante un período de una semana y posteriormente se descargaron y procesaron externamente en una PC. La configuración íntegra del analizador puede modificarse manualmente o desde la PC conectada externamente, opción que se utilizó en este caso. El instrumento se conectó con 4 puntas de medición, una por cada una de las tres líneas y la restante para el neutro, de modo que se midieron los valores de las tensiones de fase. La medición se hizo en un tablero trifásico de baja tensión disponible en el laboratorio de Electromecánica de la Facultad Regional San Francisco de la Universidad Tecnológica Nacional. La idea original era colocar el instrumento en el tablero de acometida a la instalación de la facultad. Este es el punto de acoplamiento común (PCC, Point of Common Coupling) donde, según la normativa aplicable, se realizan las mediciones de calidad de energía, ya que se trata del punto de contacto entre la empresa distribuidora de energía y el usuario. Sin embargo, por motivos de seguridad eléctrica, resguardo del equipo y acceso a la tensión tanto para medir como para alimentar el instrumento, se decidió hacer la medición puertas adentro de la instalación. Al indicar la medición de las tensiones de fase, se seleccionaron también sus armónicas hasta el orden 25. Si bien el instrumento puede medir hasta el orden 63, se restringió la medición simplemente por ser pequeña la incidencia práctica de las armónicas de orden superior en la tensión [3]. Esto se verificó por medio de mediciones previas de práctica, al igual que el hecho de que las armónicas pares eran nulas. De todos modos, se registraron los valores de algunas armónicas pares. Cabe aclarar que, aunque se registraron solo algunos órdenes de armónicas, el instrumento registra en cada período de integración el THD calculado con todos los órdenes de armónicas requeridos en la EN 50160, es decir hasta el orden 40. Se utilizó el software provisto por el fabricante del instrumento para procesar los datos de las mediciones, aunque también se accedió a los datos “crudos”, a fin de analizarlos adicionalmente con una planilla de cálculo. Una vez completada la medición, los datos quedaron guardados en la memoria interna del analizador de calidad de potencia y posteriormente se los exportó en formato .pmd para su análisis en la PC. Finalmente, se procedió a graficar los datos y a compararlos con los límites estipulados. EFECTOS DE LOS ARMONICOS EN TRANSFORMADORES La mayoría de los transformadores están diseñados para operar con corriente alterna a una frecuencia fundamental (50 ó 60 Hz), lo que implica que operando en condiciones de carga nominal y con una temperatura no mayor a la temperatura ambiente especificada, el transformador debe ser capaz de disipar el calor producido por sus pérdidas sin sobrecalentarse ni deteriorar su vida útil. Las pérdidas en los transformadores consisten en pérdidas sin carga o de núcleo y pérdidas con carga, que incluyen las pérdidas I2R, pérdidas por corrientes de eddy y pérdidas adicionales en el tanque, sujetadores, u otras partes de hierro. De manera individual, el efecto de las armónicas en estas pérdidas se explica a continuación: Pérdidas sin carga o de núcleo: producidas por el voltaje de excitación en el núcleo. La forma de onda de voltaje en el primario es considerada senoidal independientemente de la corriente de carga, por lo que no se considera que aumentan para corrientes de carga no senoidales. Aunque la corriente de magnetización consiste de armónicas, éstas son muy pequeñas comparadas con las de la corriente de carga, por lo que sus efectos en las pérdidas totales son mínimos. Pérdidas I2R: si la corriente de carga contiene componentes armónicas, entonces estas pérdidas también aumentarán por el efecto piel. Pérdidas por corrientes de Eddy: estas pérdidas a frecuencia fundamental son proporcionales al cuadrado de la corriente de carga y al cuadrado de la frecuencia, razón por la cual se puede tener un aumento excesivo de éstas en los devanados que conducen corrientes de carga no senoidal (y por lo tanto en también en su temperatura). Efecto en las barras de neutros: dado que este es el primer punto de unión de los neutros de las cargas monofásicas, en el caso balanceado, las corrientes (fundamental y armónicas) de secuencia positiva y negativa se cancelan aquí. Estas barras pueden llegar a sobrecargase por el efecto de cancelación de las componentes armónicas de secuencia positiva y negativa entre los conductores neutros que sirven diferentes cargas. En el caso de corrientes armónicas de secuencia cero (armónicas “triplen”), estas no se cancelarán en el neutro aun con condiciones balanceadas [13], por lo que estas barras se pueden sobrecargar por el flujo de estas corrientes. En la realidad, las barras de neutros transportan corrientes de secuencia positiva y negativa producidas por el desbalance de cargas más las armónicas “triplen” de secuencia cero generadas por éstas. Por esta razón las barras que están dimensionadas para soportar la misma corriente de fase pueden sobrecargarse fácilmente en presencia de cargas no lineales. En el caso de que se estén alimentando cargas no lineales, es recomendable que las barras de neutros tengan una capacidad de corriente igual al doble de la de las fases. Efecto en los bancos de capacitores: el principal problema que se puede tener al instalar un banco de capacitores en circuitos que alimenten cargas no lineales es la resonancia tanto serie como paralelo, como se muestra en la Figura 2. A medida que aumenta la frecuencia, la reactancia inductiva del circuito equivalente del sistema de distribución aumenta, en tanto que la reactancia capacitiva de un banco de capacitores disminuye. Existirá entonces al menos una frecuencia en la que las reactancias sean iguales, provocando la resonancia. CONCLUSIONES Una vez analizadas y estudiados los diferentes riesgos en el área de potencia eléctrica se debe tener en cuenta que las normas son muy importantes para la aplicación diaria ya sea para reducir el riesgo así como para realizar un buen trabajo El trasformador es un dispositivo que está compuesto de varios elementos los cuales, como se determinó en el texto son indispensables para darle su funcionalidad adecuada, por lo cual se debe de conocer cada uno de estos elementos a profundidad así como los fenómenos que puedan afectar al transformador como los armónicos. BIBLIOGRAFIA Kostenko, M. P., Piotrovski L. M. Maquinas Eléctricas. Tomo I. Editorial MIR Sanz Feito, J. Máquinas eléctricas. Prentice Hall; Madrid, 2002 Chapman, S. Máquinas Eléctricas. Mc Graw-Hill L; Madrid, 2000 (3ª edición)
