En este proyecto se seleccionarán la protecciones internas y externas a un transformador de

potencia MIU T4 de 20 MVA’S con una relación de voltaje de 110/13.8 KV, que se encuentra ubicado en la

Subestación Eléctrica “Mina Uno”.

Los datos del transformador de potencia se muestran en la siguiente tabla:

MIU T-4

TIPO POTENCIAIMPEDANCIA

%Z

TENSION EN LOS

DEVANADOS

FRECUENCIA DE

OPERACIÓN

OA 12 000 KVA 9.02A.T. 110 000 V

B.T. 13 800 V60 HzFA1 FA1 16 000 KVA 12.02

FA2 FA2 20 000 KVA 14.96

TEMPERATURA DE

OPERACIÓNN° DE SERIE LTS. DE ACEITE NIVEL DE IMPULSO ONDA COMPLETA

55° C ELEVACION

DE TEMPERATURA

A 1000 MSNM

26-0453 12202ALTA TENSION

550 KV

BAJA TENSION

110 KV

PESO APROX. EN KG CONEXIÓN MARCA

TRANSFORMADOR 15876 ALTA TENSION DELTA IEM

TANQUE 13844 BAJA TENSION ESTRELLAFABRICADO EN

1982

LIQUIDO 10982

TOTAL 40702

El diagrama unifilar de protecciones de la subestación y del transformador MIU T-4 se muestran en las

siguientes figuras.

Diagrama Unifilar que muestra las protecciones del transformador de potencia MIU T-4 de la subestación

MINA UNO.

PROTECCION DIFERENCIAL

Cálculo de corrientes nominales del transformador.

BUS AUXILIAR 115 KV

BUS PRINCIPAL 115 KV

72041 72048

72040

51

MED

49

63

49X

86 87

51NT

51NTX

B2-13.8 KV

72049

52049 52048

52041

52040

NOTA: TODOS LOS NUMEROSLLEVAN ANTEPUESTO " MIU "

a) Selección de la relación de transformación de los Transformadores de corriente:

b) Cálculo de las corrientes secundarias de los TC´s:

c) Calculo de las corrientes de restricción de las bobinas del relevador:

IrH = IsH = 3.49 A

IrX = IsX = 7.23 A

Los TAPS deben seleccionarse de tal manera que la razón de TAPS sea lo más cercana

posible a la razón de las corrientes de retención. A continuación se muestra una tabla con valores

de razones de TAPS para el relevador General Electric tipo BDD.

d) Selección de los TAPS del relevador.

TAPX

2.9 3.2 3.5 3.8 4.2 4.6 5.0 8.7

TAPH

2.9 1.0 1.103 1.207 1.31 1.448 1.586 1.724 3.0

3.2 0.906 1.0 1.094 1.188 1.313 1.438 1.563 2.714

3.5 0.829 0.914 1.0 1.086 1.2 1.314 1.429 2.486

3.8 0.763 0.842 0.921 1.0 1.105 1.211 1.316 2.289

4.2 0.690 0.762 0.833 0.905 1.0 1.095 1.19 2.071

4.6 0.630 0.696 0.761 0.826 0.913 1.0 1.087 1.89

5.0 0.58 0.64 0.7 0.76 0.84 0.42 1.0 1.74

8.7 0.33 0.368 0.402 0.437 0.483 0.529 0.575 1.0

La razón de TAPS más cercana a la relación de corrientes (y la que minimizará el desbalance) es

de 2.071, por cual, procedemos a calcular el desbalance:

│2.07 – 2.071 │=0.001 (mínimo desbalance)

Por lo tanto la relación de TAPS será:

Y los TAPS seleccionados son los siguientes:

TAPX = 8.7

TAPH = 4.2

e) Selección de pendiente (sensitividad) del relevador.

Considerando el efecto del cambiador de TAPS del transformador de potencia (10 %):

M + LTC = (0.048 + 10) % = 10.048 %

Por lo tanto se puede usar el relevador General Electric tipo BDD de sensibilidad del 30%, puesto

que:

(M + LTC) < (M + LTC) lim

10.048 % < 15 %

PROTECCION INERTAIRE

El equipo de gas inerte es un sistema que asegura una larga vida de los aislamientos y un insignificante

deterioro del aceite, al eliminar el oxigeno y la humedad que se podría absorber al interior del transformador

cuando este sufre variaciones en la temperatura del aceite, manteniendo un acojinamiento de nitrógeno seco

por encima del aceite dieléctrico.

El nitrógeno se suministra a baja presión desde una válvula reductora y se alimenta automáticamente al

interior del transformador, siempre que la presión interna del tanque descienda a menos de 5.5 lb/plg 2. El

nitrógeno esta contenido en un cilindro de acero a una presión de 2000 lb/plg2.

LAS PARTES QUE COMPONEN AL EQUIPO DE GAS INERTE SON:

2 reguladores de presión de paso sencillo; uno que baja la presión del nitrógeno suministrado por el

cilindro a una presión de 2000 lb/plg2 hasta 125 lb/plg2 en el primer paso y de 125 lb/plg2 hasta la

que se desee inyectar y mantener en el interior del transformador en el segundo paso, pudiendo ser

variado y ajustado en un intervalo de 5 lb/plg2, según la aplicación que se le da al equipo de gas

inerte.

Un sistema de alivio en caso de sobre presión que se acciona cuando el aceite dieléctrico del

transformador sufre un incremento en su temperatura, provocando con esto un aumento en la

presión interna del tanque. Este sistema consta de 2 válvulas de alivio de presión, la primera de ellas

que alivia cuando la presión interna alcanza el valor de 6.5 lb/plg2, si la presión sigue aumentando la

segunda válvula aliviara a 8 lb/plg2.

Un manómetro con un rango de presión de 0 a 3000 lb/plg2 que indica la presión del nitrógeno

contenido en el cilindro de acero.

Un manovacuometro con un rango de presión de -10 a 10 lb/plg2, en el que se lee la presión del

transformador.

Un circuito de tres alarmas que se accionan cuando:

La presión del nitrógeno en el cilindro de acero baja entre 200 y 250 lb/plg 2 aprox. el 10% de su

capacidad total.

Cuando la presión en el interior del tanque del transformador alcanza el valor entre 8 y 8.5 lb/plg2.

Cuando se forma vacío entre -3 y -1.5 lb/plg2 (presión negativa en el interior del transformador) al dejar

que el contenido del nitrógeno en el interior del cilindro se vacíe por completo.

Una manguera diseñada especialmente para manejar altas presiones (2000 a 3000 lb/plg2), a la que

se le da un tratamiento adecuado para uso con nitrógeno.

Un juego de 2 mangueras que conectan el equipo de gas inerte con el interior del transformador.

INSTRUCCIONES PARA LA CALIBRACIÓN DEL EQUIPO

El quipo de gas inerte sale calibrado desde la fábrica con los siguientes valores

Regulador de presión No 1 (12)

Primer paso (regulación gruesa)

Entrada 2000 lb/Pulg2

Salida 125 lb/plg2

Regulador de presión No 2 (13)

Segundo paso (regulación fina)

Entrada 125 lb/pulg2

Salida 0.5 lb/Pulg2

Sistema de alivio de presión, segunda válvula (9) Primera válvula (8) a 6.5 lb/Pulg2

Segunda válvula (9) a 8 lb/Pulg2

Es recomendable que se verifique que esos componentes funcionen correctamente en cada cambio

del cilindro del nitrógeno.

Para una correcta calibración únicamente se deberán ajustar los reguladores de presión ( 12 y 13), la válvula

de alimentación (7) y la válvula de purga (6). No se recomienda que se muevan o accionen ninguno de los

componentes del equipo.

Las válvulas de alivio (8 y 9) se compone de un cuerpo cilíndrico las cuales ya vienen calibradas y no

hay necesidad de recalibrarlas.

CALIBRACIÓN DE LOS REGULADORES DE PRESIÓN (12 Y 13)

Gire las manivelas de reguladores de presión (12 y 13) en sentido contrario a las manecillas del

reloj para cerrarlos.

Abra la válvula de purga (4) para limpiar el equipo, hasta que el manovacuometro (11) marque

una presión de cero. Vuelva a cerrar la válvula de purga (4) perfectamente

Gire lentamente la manivela del regulador No 1 (12) en sentido de las manecillas del reloj

juntamente con la del regulador No 2 (13) para inyectar el nitrógeno al transformador, hasta que

el manovacuometro marque una presión de 0.5 lb/Pulg2 que es la presión recomendada para la

operación normal del transformador, dichos reguladores de presión (12 y 13) cuentan con una

tuerca que sirven para fijar la calibración de los mismos, apriételos una vez obtenida la

calibración deseada

Abra la válvula de alimentación (7) al transformador

COMPONENTES DEL EQUIPO DE GAS INERTE

1. gabinete

2. Puerta del gabinete

3. Tanque de sumidero

4. Válvula de purga

5. Tubo de cobre

6. Válvula d aguja para muestreo

7. Válvula de aguja para alimentación

8. Válvula de alivio calibrada a 6.5 lb/ pulg2

9. Válvula de alivio calibrada a 8 lb/ pulg2

10. Manómetro*

11. Manovacuometro*

12. Regulador de presión No 1, para el primer paso de regulación ( regulación gruesa)

13. Regulador de presión No 2 para el segundo paso de regulación (regulación fina)

14. Tablilla Terminal**

15. Terminal grip**

16. Válvula de alivio a 10 lb/ pulg2

17. Manguera de alta presión

18. Cilindro para el nitrógeno

NOTAS:

* - Estos accesorios llevaran contactos de alarma solo cuando el equipo sea para operación y embarque.

** -Estas partidas van solo cuando el equipo es para operación y embarque.

Las fotografías muestran la protección inertaire del transformador de potencia MIU-T4.

PROTECCION BUCHHOLZ

El relevador de gases buchholz tiene como función anunciar con anticipación la proximidad de una

falla interna del transformador; dicha falla es precedida por un daño gradual del aislamiento. Este relevador

es instalado como se muestra en la figura.

El relevador es intercalado en el tubo de comunicación entre el tanque principal y el tanque

conservador; además los tubos colectores de gases, recogen los gases de diferentes partes del

transformador y lo descargan en el relevador. Esta protección buchholz, opera en los casos siguientes

1. Por formación de gases causados por fallas interna incipiente del transformador, en cuyo caso

manda a activar una alarma

2. Por formación súbita de gases, ocasionados por fallas internas del transformador, en cuyo caso

manda la orden de disparo de la unidad

3. Por descenso excesivo del nivel de aceite en el tanque conservador del transformador, en cuyo caso

manda a disparar la unidad.

El relevador tiene dos mirillas que permiten apreciar el descenso del nivel de aceite en su cámara por

efecto de los gases que se van acumulando en su parte superior; l a mirilla superior esta graduada en cm 3,

para indicar de acuerdo con el nivel de aceite, el volumen de gas acumulado en la cámara del relevador.

Además cuenta con su dren para efectos de limpieza y con una válvula de paso en el tubo que comunica al

relevador con un colector instalado al alcance de la mano del personal.

Dentro de la cámara del relevador hay dos flotadores el superior (1) que cierra los contactos de

alarma y el flotador inferior (2) que cierra los contactos de disparo y que además tiene una paleta sensible a

las corrientes de aceite y de gas que pueden establecerse desde el tanque principal hacia el tanque

conservado, como resultado de una falla en el transformador. Al descender los flotadores hacen cerrar sus

respectivos contactos de mercurio, para enviar la señal de alarma o disparo.

El relevador opera en los tres casos siguientes:

1. El gas generado por la falla que apenas de inicia, se eleva hasta los tubos colectores de gases

del relevador, desplaza parte del aceite normalmente contenido en su cámara y baja su nivel de

aceite. La mirilla superior graduada en cm3, señala el volumen del gas acumulado, que es el

mismo volumen del aceite desplazado. Al acumularse el orden de 200 com3 de gas en la

cámara, el flotador (1) desciende lo suficiente para cerrar sus contactos y hacer sonar la alarma.

Por la mirilla superior se puede apreciar el volumen del gas atrapado, que es indicador de la

importancia de la falla.

2. Cuando se forman gases repentinamente en el tanque del transformador, desplazan mayor

volumen de aceite de la cámara del relevador, baja el nivel de aceite de manera que el flotador

(2), cierra sus contactos que mandan el disparo de la unidad. Lo mismo ocurre cuando hay una

corriente de aceite del transformador al tanque conservador, en cuyo caso el flotador (2)

desciende impulsado por la paleta.

3. También en caso de que el nivel d aceite descienda excesivamente en la cámara del relevador,

por efectos de fuga de aceite u otra causa, hará descender a los dos flotadores y el relevador

mandará primero la señal de alarma y después la de disparo.

De esta manera el relevador detector de gases, actúa cuando nace la falla, evitando daños mayores.

Por esto se concluye que el relevador detector de gases buchholz, protege al transformador contra fallas

internas incipientes, minimizando así los daños que se puedan ocasionar.

Cuidados de operación:

Al operar el relevador ya sea sonando la alarma o mandando el disparo, según lo requiera se

recomienda actuar como sigue

Ver el volumen de gas acumulado, para darse cuenta de la importancia del caso.

Observar el color del gas atrapado, que indica la procedencia de la falla, como sigue:

GAS BLANCO: Indica destrucción de papel aislante o cartón

GAS AMARILLO: Indica deterioro de piezas de madera

GAS NEGRO: Indica descomposición del aceite

GAS GRIS: Indica quemaduras en el fierro (núcleo)

GAS INCOLORO: Indica aire

En la siguiente figura se muestra la localización del relevador buchholz en un transformador de potencia.

RELEVADOR DE SOBRETEMPERATURA

ALARMABUCHHOLZ

FLOTADORES

TANQUE CONSERVA

DOR

TANQUE DEL TRANSFORMADOR

DISPAROBUCHHOLZ

La temperatura de operación de un transformador esta en proporción directa con la vida útil del

mismo, en general la temperatura no puede elevarse, durante largos periodos, arriba de 90 oC debido a que

se descompone el aceite aislante.

Las causas de la elevación de temperatura pueden ser:

Sobrecarga

Falta de enfriamiento

Flujos magnéticos fuera del núcleo

Corrientes parásitas en el núcleo

Falsos contactos

Fallas sostenidas

El transformador responde a la curva de daño que nos indica la característica tiempo-corriente para

daño del equipo. En general el transformador acorta su vida útil cada vez que sufre una sobre temperatura.

Se tienen diferentes pasos de operación del relevador térmico:

Arranque de enfriamiento (ventiladores a 60-65oC)

Arranque de enfriamiento (ventiladores segundo grupo o bombas de circulación de aceite a 70-80oC)

Alarma de alta temperatura (85-90oC)

Disparo de carga por alta temperatura a los 105-110oC

El relevador de sobretemperatura tiene como principio fundamental el ubicar dentro del equipo el

punto de máxima temperatura (hot point).

Dentro del mismo fijan elementos eléctricos, de diafragma o presión de gas para medir la

temperatura a través de carátulas similares a termómetros.

En el relé de temperatura se acostumbra utilizar una resistencia y una corriente proporcional a la

carga del transformador para simular el calentamiento del núcleo y devanados y compensar la enorme

inercia térmica de varios miles de litros de aceite aislante, logrando así una mejor imagen de la temperatura

del equipo.

120

30

100

140

70

40

50

8060

ALARMA ALTA TEMPERATURA

ARRANQUE DE VENTILADORES

DISPARO ALTA TEMPERATURA

PROTECCION POR APARTARRAYOS

Las descargas atmosféricas, maniobras y fallas, son la protección que ofrece el apartarrayos, este entra en

funcionamiento cuando el voltaje alcanza un valor más alto al voltaje nominal del transformador, entre los

límites inferior y superior del voltaje de cebado del apartarrayos, provocando una descarga a tierra de la

corriente que llega a él, limitando el voltaje aplicado al transformador.

Para seleccionar el apartarrayos, se considera el factor de conexión a tierra, el cuan valdrá 1.0, dado que la

conexión del neutro es flotante. El voltaje máximo en el transformador será cuando se conecte el cambiador

de derivaciones en la posición 1: 115.5 KV.

La corriente de descarga considera la impedancia de la linea la cual será de 400 Ohms y el BIL de la linea

que será de 860 KV.

Como el voltaje nominal del apartarrayos es de 115.5 KV y la corriente de descarga 4.5 KA, se selecciona un

apartarrayos de 121 KV y 5KA de corriente de descarga.

PROTECCIONES DE RESPALDO

DATOS DE ENTRADA

Se tiene como dato de entrada la impedancia en p.u. que tiene la línea de transmisión de 100 kv

R1=0.0063421

X1=0.04077

Z1=0.0063421 + j0.04077

Z1=0.04126 81.1580o

La corriente nominal en el primario calculada anteriormente es:

IH=104.97 A

CALCULO DE LA PROTECCION DE RESPALDO 51 H

Calculo de la corriente de corto circuito trifásico en 110 kv

Calculo de la RTC por carga

Calculo de la corriente de corto circuito en 110 kv

KVAbase=100000

Calculo de RTC por corto circuito

Se elije la RTC mayor que es 600/5

Calculo del tap

Calculo de las impedancias

Calculo de la corriente de corto circuito en 13.8 p.u.

Calculo de la corriente base en 13.8

Corriente referida a 13.8 kv

Corriente de corto circuito referida a 110kv

Calculo de la palanca

CALCULO DE LA PROTECCION DE RESPALDO 51T

Corriente nominal en 13.8=836.73ª

Calculo de la RTC por carga

Calculo de la RTC por corto circuito

Se elije la RTC mayor que es 1500/5=300/1

Calculo del TAP

Calculo de la palanca

CALCULO DE LA PROTECCION DE RESPALDO 51NT

Calculo de impedancias

Sec(+)

Zth=Z2=0.04126

Ztransf=0.748

Z1=0.04126+0.748=0.78926

Sec(0)

Zo=0.748

Calculo de corto circuito en 13.8 monofásico p.u.

Calculo de corto circuito en 13.8 trifásico p.u

Calculo de corto circuito en 13.8 monofásico en amp

Calculo de corto circuito en 13.8 trifásico amp

Calculo de RTC por corto circuito

Calculo del TAP

Calculo de la palanca