Protección de Transformadores de Potencia: Presentación UNCP

Universidad Nacional del Centro del Perú
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Material de Enseñanza
094C Protección de
Sistemas de Potencia
Protección de
Transformadores de Potencia
© Waldir Astorayme Taipe
[email protected]
Introducción
UNCP-FIEE Waldir Astorayme T.
Protección de Transformadores
Introducción
 Forman parte del sistema eléctrico de potencia.
 Las fallas en los transformadores puede tener graves
consecuencias cuya reparación puede ser muy costosa y
llevar a largos periodos de reparación.
 Las consideraciones para un sistema de protección de los
transformadores varían con la aplicación y con la
importancia en el sistema eléctrico.
 Con el fin de reducir el esfuerzo térmico así como las
fuerzas electrodinámicas, es aconsejable que el sistema de
protección minimice el tiempo de duración de la falla en el
interior del transformador.
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Protección de Transformadores
Introducción
 En transformadores de distribución, la protección mediante
fusibles o relés de sobreintensidad de tipo inverso e
instantáneos puede llegar a ser efectiva y económicamente
justificable.
 Debido a los requerimientos de coordinación con la
protección aguas abajo, se tiene que retardar la operación
para fallas de menor magnitud.
 Para grandes transformadores, es deseable una protección
de alta velocidad.
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Protección de Transformadores
Introducción
Grupos de conexión y formas de conexión
a tierra
 Los grupos de conexión, los arreglos de los devanados y la
forma como se conecta el neutro a tierra, influye
directamente sobre la protección de los transformadores.
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Protección de Transformadores
Introducción
Diferentes arreglos de los devanados
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Protección de Transformadores
Introducción
Tipos de Fallas
Pueden agruparse en seis categorías:
 Fallas en los devanados.
 Fallas en el cambiador de
tomas.
 Fallas en los bushings.
 Fallas en el tablero.
 Fallas en el núcleo.
 Fallas diversas.
Fault Line
REL 511
Line protection
C
E
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Protección de Transformadores
Introducción
Causas de las Fallas
 Sobretensiones por descargas atmosféricas, de
maniobra, etc.
 Sobrecalentamiento.
 Rotura del devanado.
 Deterioro.
 Inapropiada fijación de las espiras.
 Defecto de aislamiento entre espiras.
 Aterramientos.
 Fallas fase a fase.
 Defectos mecánicos.
 Humedad, etc.
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Protección de Transformadores
Introducción
Fallas en los TAPs o cambiador de tomas








Contactos.
Conductores.
Sobrecalentamiento.
Cortocircuitos.
Fuga de aceite.
Eléctricos.
Mecánicos.
Falla externa.
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Protección de Transformadores
Introducción
Fallas en el Bushing
 Envejecimiento,
contaminación
y
fisuras.
 Descargas debido a
animales.
 Descargas debido a
sobretensiones.
 Humedad.
 Bajo nivel de aceite.
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Protección de Transformadores
Introducción
Fallas en el Tablero
 Pérdida
de
conexiones.
 Conductores
abiertos.
 Conexionado.
 Humedad.
 Aislamiento
insuficiente.
 Desajuste.
 Cortocircuitos.
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Protección de Transformadores
Introducción
Fallas en el Núcleo
 Falla
en
el
aislamiento del
núcleo.
 Laminaciones
cortocircuitadas.
 Pérdida
de
pernos, tuercas,
cuñas.
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Protección de Transformadores
Introducción
Estadística de las Fallas






Fallas en los bobinados
Fallas del conmutador
Fallas en los bushings
Fallas en los terminales
Fallas en el núcleo
Otras fallas diversas
37%.
22%.
11%.
3%.
1%.
26%
Fuente: C37.91-2000 IEEE Guide for Protective Relay Applications to Power
Transformers.
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Protección de Transformadores
Límites de
Protección
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Protección de Transformadores
Límites de Protección
Para determinar los límites de protección, se deben
considerar los siguientes factores:
 Las condiciones de
operación.
 Los
requisitos
mínimos
de
protección
establecidos.
 El soporte, aguante
o nivel de aguante
del equipo.
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Protección de Transformadores
Límites de Protección
Punto Inrush
Este
punto
representa
una
aproximación
del
efecto de la corriente
de magnetización del
transformador, este
valor se calcula como
un múltiplo de la
corriente
nominal
del transformador y
varía de acuerdo a la
capacidad.
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CORRIENTE
POTENCIA
IINRUSH = 8 INOMINAL
Si: S ≤ 1,5 MVA
IINRUSH = 10 INOMINAL
Si: 1,5 ≤ S ≤ 3,75 MVA
IINRUSH = 12 INOMINAL
Si: S ≥ 3,75 MVA
S : Potencia nominal
El tiempo de duración de la
IINRUSH es siempre 0,1 seg.
Protección de Transformadores
Límites de Protección
Punto Ansi
Determina un punto que
fija las características que
deben
satisfacer
los
devanados
de
un
transformador
para
soportar sin que resulten
dañados,
los
efectos
térmicos y magnéticos
producidos
por
un
cortocircuito
en
sus
terminales, considerando
periodos definidos de
tiempo.
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t
(s)
Carga fría + INRUSH
Daño
Mínimo tiempo
de fusión
Total de
aclaramiento
ANSI
2
20 IN
Protección de Transformadores
I (A)
Límites de Protección
Punto Ansi para los Transformadores
COORIENTE SIMÉTRICA RMS EN CUALQUIER BOBINA
Múltiplos conexión
Z (%)
Delta
Delta
4 o menos
5,00
5,25
5,50
5,75
6,00
6,50
7,00 o mayores
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Estrella
Estrella
25,00
20,00
19,25
18,18
17,39
16,67
15,38
14,29
Múltiplos
conexión
Delta Estrella
tANSI
(seg)
14,50
11,60
11,05
10,55
10,09
9,67
8,92
8,29
2,00
3,00
3,25
3,50
3,75
4,00
4,50
5,00
Protección de Transformadores
Límites de Protección
Punto Ansi
Transformadores en
conexión ∆ / ∆ ó Y / Y
I ANSI
100

I PC
Z%
Transformadores en
conexión ∆ / Y
I ANSI
100

I PC * 0,58
Z%
El tiempo ANSI de
sobrecarga es:
IMPEDANCIA TIEMPO ANSI
4 < Z% < 7
Z% ≥ 7
Z% ≤ 4
tANSI = Z% - 2
tANSI = 5 seg.
tANSI = 2 seg.
IPC : Corriente a plena carga.
Siempre y cuando: 4 ≤ Z% ≤ 7
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Protección de Transformadores
Límites de Protección
Categoría Transformadores – Normas Ansi
Graficar la curva ANSI del transformador en las hojas de
coordinación.
CATEGORÍAS
I
II
III
IV
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kVA NOMINALES DE
PLACA
MONOFÁSICOS
TRIFÁSICOS
5 – 500
501 – 1667
1668 – 10000
Arriba de 10000
15 – 500
501 – 5000
5001 – 30000
Arriba de 30000
Protección de Transformadores
Límites de Protección
Categoría Transformadores – Normas Ansi
Define la forma de la curva ANSI y los puntos se calculan, lo
único que se debe verificar es que la impedancia del
transformador no sea inferior a los valores indicados.
t (s)
t (s)
4
4
3
1
2
1
Categoría I
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I (A)
Categoría II, III y IV
I (A)
Protección de Transformadores
Límites de Protección
Categoría Transformadores – Normas Ansi
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Protección de Transformadores
Límites de Protección
Categoría Transformadores – Normas Ansi
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Protección de Transformadores
Límites de Protección
Puntos Curva Ansi para transformadores
Punto
1
2
3
4
Categoría del
transform.
Tiempo
(seg)
Corriente
(A)
I
II
1250 (Zt)2
2
IPC/Zt
IPC/Zt
III , IV
2
IPC/(Zt + Zs)
II
4,08
0,7 IPC/Zt
II , IV
8,0
0,5 IPC/(Zt + Zs)
II
2551/(Zt)2
0,7 IPC/Zt
III , IV
5000/(Zt + Zs)2
0,5 IPC/(Zt + Zs)
I, II, III y IV
50
5 IPC
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Protección de Transformadores
Límites de Protección
Puntos Curva Ansi para transformadores
Zt : Impedancia del transformador en por unidad en base a los
kVA en OA (autoenfriado)
Zs : Impedancia de la fuente en por unidad en base a los kVA
del transformador
 OA : Autoenfriado.
 OA/FA : Autoenfriado y enfriado por aire forzado.
 OA/FA/FA : Autoenfriado y con dos pasos de enfriamiento por
aire forzado.
 OA/FOA : Autoenfriado y enfriado por aceite y aire forzado.
 OA/FOA/FOA : Autoenfriado y con dos pasos de enfriamiento
por aire y aceite forzado.
 FOW : Enfriado por agua y aceite forzado.
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Protección de Transformadores