Transformadores UIS

CONSTRUIMOS FUTURO
Facultad de Ingenierías Físico-Mecánicas
Escuela de Ingenierías Eléctrica,
Electrónica y de Telecomunicaciones

CONSTRUIMOS FUTURO
martes 12 de agosto de 2014
Protecciones Eléctricas
Transformadores
Gilberto Carrillo Caicedo

3
INTRODUCCIÓN
La protección para los transformadores de potencia, depende del tamaño, la
tensión y la importancia que pueda teneren el sistema.
En la práctica general, adicionalmente a la protección eléctrica contra
sobrecalentamiento o sobrecarga, puede haberaccesorios térmicos o
mecánicos para accionaruna alarma, un banco de ventiladores, y en
última instancia desconectarlos transformadores.
La protección de los transformadores se hace típicamente con fusibles, para
potencia hasta de 2,5 MVA, entre 2,5 y 5 MVA con fusibles o relés de
sobrecorriente; de 5 a 10 MVA, se protegen con relés de sobrecorriente
y/o protección diferencial simple, y para mayores de 10 MVA se usa
necesariamente protección diferencial.

4
PROTECCION CON FUSIBLES
Los fusibles se emplean normalmente para transformadores hasta de
5 MVA.
Las normas NEMA especifican que para tensiones inferiores a 600
voltios primarios, y si los transformadores se protegen solo en el
primario, los fusibles deben teneruna capacidad de corriente
inferiordel 150% de la capacidad primaria del transformador.
Para transformadores protegidos simultáneamente en el primario y el
secundario la selección del fusible se hace de acuerdo a la tabla
(a).

5
Características fusibles

6
Tabla (a) Selección del fusible

7
Para transformadores con tensiones superiores a 600 V las normas dan
curvas que representan la característica de seguridad. Estas características
se usan para la selección de la protección de sobrecarga en transformadores
pequeños.
Las curvas se pueden obtenerde la tabla (b).
Tabla (b) Capacidad de sobrecarga de los transformadores

8
Selección para protección de sobrecarga del
transformador.
La curva de seguridad (Safe Loading Curve) como se muestra a continuación
se superpone sobre la curva del fusible, y si esta está pordebajo de la
seguridad; el fusible protegerá el transformadoradecuadamente, como se ve
en la figura (a).
Curva de seguridad del transformador

9
Selección para protección de sobrecarga del
transformador.
Figura (a) Selección del fusible protegiendo el transformador

10
Selección para mantenimiento de producción.
Cuando la curva de sobrecarga está pordebajo de la del fusible, este no
necesariamente dará protección de sobrecarga al transformador; pero evitará
que el sistema se desenergice innecesariamente y pierda, portanto,
producción.
Selección del fusible manteniendo producción

11
Uso de fusibles tipo dual.
Existen unos fusibles especialmente diseñados para seguirmuy
cercanamente la curva de seguridad del transformador, conocidos
como clase dual y su característica de comportamiento se muestra en
la siguiente figura.
Selección del fusible tipo Dual

12
PROTECCIÓN CON RELÉ DE SOBRECORRIENTE
La protección con relé de sobrecorriente se emplea en
transformadores de mayorimportancia donde no pueda
justificarse la protección diferencial.
Los criterios de protección y ajuste de estos relés se verán a
continuación.
Si la carga en el transformadores diversificada, con motores no muy
grandes cuyas corrientes de arranque pudieran serparámetros
limitantes, se considera la corriente del relé 1.5 veces la corriente
nominal del transformador, esto es, muchas veces suficientes para
permitirque los relés admitan los desbalances de la corriente de
carga.

13
PROTECCIÓN CON RELÉ DE
SOBRECORRIENTE
Cuando se tienen varios transformadores en un alimentadorsin
protección individual primaria, se ajusta la corriente del relé a 1.5
veces la corriente total de plena carga de los transformadores. El
ajuste para el relé de sobrecorriente no debe sermayorque seis
veces la corriente nominal de plena carga del transformadormás
pequeño pues de lo contrario no se puede garantizarsu
protección.
Para la protección principal (50) de un transformadorse debe ajustar
la unidad instantánea del relé porencima de la corriente primaria,
cuando ocurre un corto cerca de los terminales secundarios,
generalmente este ajuste está porencima de la corriente de
energización del transformadory puede ser12 a 14 veces la
corriente nominal de la carga.

14
Los relés de tierra (51) en el neutro del transformadorse pueden
ajustarnormalmente, con una sensitividad del 10 % o menos, de
la corriente a plena carga del transformador, asegurándose que
esta forma sea mayorque la menorde operación de los relés
diferenciales.

15
Diferentes posibilidades de conexión de los relés de tierra
en un transformador

16
Diferentes posibilidades de conexión de los relés de tierra en un
transformador

17
PROTECCIÓN DIFERENCIAL
La protección diferencial es mucho más rápida y selectiva que las anteriores,
pero más costosa, porello se utiliza con transformadores grandes para los
cuales se podría justificar(Mayores de MVA).
 Conexión de transformadores de corriente.
La base de la protección diferencial es la conexión de los transformadores de
corriente situados en el primario y en el secundario.
Debido a que las corrientes en el primario difieren de las medidas en el
secundario porla relación inversa de transformación; para poderlas
compararse tiene que relacionarlas relaciones de transformación de los
TC’s para compensaresta luego.

18
CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES DE
CORRIENTE
Si los transformadores de potencia son – Y las corrientes primarias yΔ
secundarias tendrán una diferencia adicional en magnitud de , y una
diferencia angularadicional de 30º para evitarque debido a la conexión
del transformadorde potencia el relé opere erróneamente, esta se
compensa con la conexión de los TC’s, esto es, en un transformador –Δ
Y. los transformadores de corriente primarios se conectarán en Y y los
secundarios en .Δ
Estas condiciones se muestran en la tabla (b) y se ilustran en el ejemplo
mostrado en la figura (b).
prim
prim
V
V
aI
I sec
sec
1
=

19
CORRIENTE
Si se tiene un transformadorde potencia el cual se le va a conectarla
protección diferencial, el primerpaso consiste en conectarlos
transformadores de corriente de manera que no ocurra el disparo para fallas
externas (o cargas), esto se hace fijando unas corrientes de 1, a y a2 en el
lado Y , obteniendo las correspondientes del lado delta de la
Tabla (b) Conexión de los transformadores de Potencia y Corriente

20
CORRIENTE
línea y las secundarias de los transformadores de corriente; luego se
conecta los transformadores de corriente del lado delta en Y y
llevando los terminales del lado no común a la estrella de cada
uno de los relés; la salida de los relés se conecta a los
transformadores de corriente del lado Y teniendo el cuidado de
sacardel relé la misma corriente que le entro del otro grupo de
TC’s como se vé en la figura (b).
Si el transformadores es multidevanado se sigue el mismo proceso
porcada parde devanados.
El siguiente paso consiste en probarque opera en caso de fallas
internas.

21
CORRIENTE
Figura (b) Protección diferencial para un transformador

22
Corriente de Magnetización Inicial.
En la conexión diferencial se lleva al relé (a la bobina
de operación del relé) la diferencia entre la corriente de
entrada y la de salida; la cual corresponde, en
condiciones de carga o de falla externa, a la corriente
de magnetización del transformador. Esta corriente es,
normalmente, pequeña (1 al 5% de la nominal), pero
durante la energizacion puede llegara valores similares
a los de cortocircuito (1200% de la nominal)
dependiendo de las condiciones existentes al conectar
el transformador.

23
Esta es una condición para la cual no debería operarla protección,
porlo tanto, sería necesario desensilibizarla protección al
conectarel transformadorcon un relé de voltaje de alta velocidad
(RVAV). Si al hacerla conexión existe un cortocircuito este relé
no opera, dejando conectada la bobina de operación. Para
permitirla operación del relé después de la energizacion, un relé
de voltaje temporizado a la apertura (RVTA) abre su contacto
después de un cierto tiempo. Como se ve en la siguiente figura.
Para no desensibilizarel relé, y considerando que la corriente de
magnetización inicial contiene un alto porcentaje de armónicos,
se envían estos, a través de un filtro pasa-altos a una bobina de
restricción, llevando la componente fundamental a la bobina de
operación como se muestra en la figura (c). Este relé,
específicamente utilizado para transformadores, se conoce como
"relé diferencial con restricción de armónicos".
Corriente de Magnetización Inicial.

24
Forma de prevenirla operación de la protección del
transformadorporla corriente de magnetización inicial.
Figura (c)

25
Protección con relé diferencial de
porcentaje.
Para evitarel disparo porfallas externas debido al
desajuste de corrientes secundarias de los TC's o por
cambio de relación de transformación con tomas se
utilizan bobinas de restricción en el relé diferencial.
La cantidad de restricción se define como el porcentaje
de la corriente requerida porel devanado de operación
para vencerel torque de restricción y se denomina
pendiente como se trató en el capítulo tercero.
La pendiente requerida puede variardel 10 al 50%
dependiendo del rango.

26
FALLA ENTRE ESPIRAS
La falla entre espiras, origina una corriente circulante por
la trayectoria cerrada formada porel corto, ésta
corriente es proporcionalmente mas alta entre menos
espiras estén involucradas .

27
PROTECCIÓN CON RELÉS ACTUADOS POR
GASES
Composición.
Los gases generados en el aceite de un transformador
pueden correspondera fallas ocurridas en el devanado.
Los gases aparecen porlos siguientes procesos:
Disolución del aire u otros gases que se ponen en contacto
con el aceite o se filtran dentro del tanque.
Liberación de hidrógeno del agua poroxidación del hierro.
Pirolisis del hidrocarburo (o aceite).
Pirolisis del la celulosa (aislante).
Estos cambios se pueden aprovecharpara proteger, el
transformadormediante analizadores de gas.

28
Relé Buchholz
Es un relé situado en el canal de conducción de los gases hacia el
conservadorcolocado en la parte superiorde algunos
transformadores. El relé consta de dos interruptores de mercurio.
Uno cierra el contacto porla acumulación de gases en el relé,
consecuencia de algún corto entre espiras o alguna sobrecarga
pesada mantenida; el otro actúa porel caudal con que pasan los
gases hacia el conservadorcomo sucede en condiciones de corto
circuito. El primero acciona una alarma mientras el segundo
actúa el interruptor.

29
RELÉS DE TEMPERATURAS 0 TÉRMICOS.
Para detectarlas altas temperaturas en el aceite y los efectos de
calentamiento de la corriente de carga sobre el devanado, se usa
el relé con elemento termostático sumergido en el aceite del
transformador, que lleva una corriente proporcional a la corriente
de carga. La forma de lograrlo es ubicando el indicadorde
temperatura en una bolsa de aceite, e introducirallí una
resistencia que varía con la temperatura (RTD) con un TC ubicado
en el embobinado (49). Esta bolsa es una réplica térmica del
devanado y se coloca aproximadamente 25 cms pordebajo del
tope del tanque, donde se supone se encuentra la parte más
caliente del aceite. Esta replica tiene como función medirla
temperatura del transformador, desconectándolo si es muy alta
ya que acciona un contacto.
Primera Etapa: Accionarventiladores
Segunda Etapa: Señalización de alarma
Tercera Etapa: Abrirel interruptor.

30
FIJACIÓN DE UN RELÉ DIFERENCIAL
Dado el transformadortrifásico , seleccione los transformadores
de corriente y ajuste los relés diferenciales. Se tienen instalados
relés STD, General Electri
3000 KVA Autoenfriado
3750 KVA Enfriado poraire forzado
A: Alta tensión
B: Baja tensión

31
1. CONEXIÓN DE LOS
TC’s
BAJA TENSION ALTATENSION
1.1 Los TC’s se conectan
de acuerdo con la regla
dada en la tabla 5.3
2. Chequeo de la relación
de los TC’s
2.1 Máxima corriente de
línea ( Ip máx.)
( )lineaKV
KVA
Ip
transf
3
max
max
= A88.156
8.13*3
3750
= A68.19
110*3
3750
=
APENDICE

32
2.2 Corriente de Línea de plena
carga nominal
(100% Ip máx.) Para potencia
nominal.
2.3 Para incrementarla
sensibilidad se selecciona las
relaciones de los TC’s tan cerca
a Ip como sea posible.
2.4 Cálculo de las corrientes
secundarias Is de los TC’s
( )lineaKV
KVA
Ip
transfdel
3
=
A51.125
8.13*3
3000
= A75.15
110*3
3000
=
40
5
200
==n 10
5
50
==n
n
I
I
p
s = AIs 92.3
40
88.156
== AIs 97.1
10
58.19
==
APENDICE

33
2.5 Cálculo de las
corrientes en el relé
2.6 Cálculo de la relación
de corrientes en el relé
3. CHEQUEO DE
PORCENTAJE DE AJUSTE
DE CORRIENTE.
3.1 Utilizando relés tipo
STDGeneral Electric cuyos
taps son: 2.9; 3.2; 3.8; 4.2;
4.6; 5.0; 8.7. Estos taps
son comunes a los relés
citados.
AIrB 92.3=
A
xIrB
41.3
397.1
=
=
41.3
92.3
=
rA
rB
I
I
15.1=
APENDICE

34
3.2Sedebenseleccionarlos
Taps tales quesurelaciónsea
lamas cercanaalarelaciónde
corrientes secundarias del
paso 2.6
Tap lado de baja (∆) = TB
Tap lado de alta (Y) = TA TB=5 TA=4.2
3.3 Calculo del porcentaje de
desajuste M
S= Es el mas pequeño de los
dos términos.
El valoranterioresta dentro del 15% de errorlimite de
ajuste.
s
TA
TB
I
I
M rA
rB
−
=
TA
TB
o
I
I
rA
rB
%48.3
%100
15.1
19.115.1
%1002.4
5
41.3
92.3
=
−
=
−
=
xM
x
s
M
APENDICE

35
4. DETERMINACIÓN DEL
“BURDEN” DE CADA TC.
Para determinarel burden
se usan las siguientes
expresiones
Donde:
B= carga total ofrecida
porel relé.
n = Relación de espiras en
el TC.
e = Resistencia porespira
del TC a la máxima
temperatura esperada.
Para TC’s conectados
en: Y
Utilizando un Relé ATD
TA= 4.2 (lado Y)
B= 0.112
n = 10
e = 4.0
f = 50 m
Se asume una:
R=0.284
Lado de baja tensión (∆)
(TC’s en Y)
Para TC’s conectados
en: ∆
Utilizando un Relé ATD
TB= 5 (lado ∆)
B= 0.088
n = 40
e = 2.6
f = 31 m
Se asume una:
R=0.284
Lado de baja tensión (Y)
(TC’s en ∆)
APENDICE

36
f = Resistencia del TC por
cable, m (a la máxima
temperatura esperada)
R= Resistencia en una vía
del cable de control (a la
máxima temperatura
esperada)
4.1 DETERMINACION DE
LA CORRIENTE
SECUNDARIA DEL TC
PARA 8 VECES EL
AJUSTE DEL TAP.
Is = 8* nominal del tap del
relé
40 33.6
( )284.02
1000
31*26.2*40
088.0
+
+
+=Zt
822.0=Zt
( )284.02
1000
504*10
112.0*2
+
+
+=Zt
932.0=Zt
APENDICE

37
4.2 Cálculo del voltaje
secundario en el TC
requerido a 8 veces el
ajuste del tap
32.88 31.32
4.3 De la curva de
excitación del tap
particulardel TC que se
está utilizando se
determina la corriente de
excitación Ie ,
correspondiente a este
voltaje secundario, Esec
ZtIsE *sec =
APENDICE

38
4.4 Determinación del error
porcentual
Este errorno debe exceder
el 20% para ningún TC, si
esto ocurre se escoge un
tap mas alto en TC (mayor
relación).
Is
Ie
error
100*
% =
APENDICE

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