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Introducción
El propósito de la protección por relevadores y la protección con esquemas de protección
por sistemas de relevadores es operar en forma correcta sobre los interruptores, para que
estos desconecten solo el equipo que está en condiciones de falla tan rápido como sea
posible minimizando el daño causado.
Los sistemas eléctricos de potencia son muy complejos y los equipos de protección
representan únicamente el 4 o 5 por ciento del costo total involucrado en el sistema, por
ello el diseño del mismo juega un papel muy importante.
Las fallas más peligrosa son las llamadas en derivación, las cuales están caracterizadas por
elevar la corriente en el sistema, presentar una reducción en el voltaje , factor de potencia
y frecuencia.
Existen dos tipos de equipos relevadores para la protección de cualquier equipo:
1. Equipo de protección primaria.
2. Equipo de protección secundaria.
La protección primaria es la primera línea de defensa para la protección del equipo, la
protección de respaldo solo trabajara cuando falle la protección primaria, lo cual conlleva
que la protección de respaldo sea más lenta. La protección primaria podría fallar debido a
algún problema en alguno de los siguientes componentes:
1. Relevadores
2. Interruptores
3. Alimentación en corriente directa.
4. Alimentación de corriente o voltaje al relevador.
Normalmente los diferentes relevadores y protecciones se designan de la siguiente
forma:•
Relevador Buchholz (63B)
• Termómetro (26-1)
• Termostato (26-2)
• Imagen térmica (49)
• Indicador de nivel (63N)
• Liberador de presión (63L)
Protección diferencial (87)
• Sobreintensidad (50-51)
Tipos de relevadores
La mayoría de los tipos de protección por relevadores consisten en un elemento de
detección con contactos. Los elementos de detección electromecánica operan usualmente
por el principio de atracción magnética, el principio de calefacción o el principio de
inducción electromagnética para abrir o cerrar contactos.
Los relevadores pueden operar de forma instantánea, con algún retraso de tiempo
definido o con un retraso de tiempo que varía en función de la magnitud de las cantidades
a las cuales el elemento de detección responde. Los tipos más comunes de relevador
serán los siguientes:
Relevador de sobre corriente
Este responde a la magnitud de una corriente sobre un valor especificado. Existen tres
tipos básicos: electromecánicos, estáticos y micro procesados. Estos dos últimos son más
útiles puesto que podemos conseguir mejores curvas que con los electromecánicos.
Relevador diferencial
Este responde a la diferencia entre dos o más corrientes cuando esta diferencia supere un
valor tarado. Es muy usado para proporcionar protección de fallas internas en equipos
como generadores o transformadores.
Relevador de sobrevoltaje
El relevador de sobrevoltaje responde a una magnitud de tensión por encima de un valor
especificado.
Relevador de bajo voltaje
Este responde a un valor de voltaje inferior al especificado.
Relevador de potencia
El relevador de potencia responde al producto de la magnitud del voltaje, la corriente y el
coseno del Angulo de fase y está ajustado para operar por encima de un valor especificado
de potencia.
Relevador direccional
Unidades que determinan la dirección del flujo de potencia y/o corriente en una localización determinada de un sistema eléctrico de potencia; de esta forma, es posible mediante este relé conocer la dirección de la ubicación de una falla. Relevador de frecuencia
Los relevadores de frecuencia responden únicamente a valores de frecuencias arriba o
debajo de un valor especificado.
Relevador térmico
El relevador térmico responde a una temperatura arriba de un valor especificado, hay dos
tipos, directo y de replica:
Directo. Es un dispositivo tal como un termopar, se encuentra dentro del equipo,
este equipo convierte la temperatura en una magnitud eléctrica, en función de la
cual operara o no la protección.
Relevador térmico tipo replica. Una corriente proporcional a la suministrada por el
equipo circulara a través de un elemento, tal como un bimetal. En función del flujo
de corriente las láminas se dilataran más o menos actuando para cerrar un
conjunto de contactos.
Relevador de presión
Estos responden a un cambio brusco en la presión de un fluido o de un gas. Básicamente
consiste en un elemento sensible a la presión y por medio de un orificio localizado entre el
equipo y el relevador se mantendrán la misma presión excepto en caso de fallo.
Protección de transformadores
Las protecciones que vamos a estudiar están enfocadas principalmente a los grandes
transformadores y consisten en la aplicación de los siguientes esquemas.
Protección diferencial.
Protección contra la presencia de gases.
Protección contra falla a tierra.
Protección diferencial
Esta protección está orientada hacia fallas internas en los transformadores, se lleva
a cabo mediante un relé diferencial. En la protección diferencial de los
transformadores tenemos que considerar los siguientes aspectos:
1. Cuando conectamos un transformador de potencia en vacío se presenta
una corriente de magnetización en el lado de conexión. Esta corriente
contiene un alto contenido de armónicas.
2. La protección diferencial de los transformadores debe prever la presencia
de estas armónicas para que no produzcan operaciones falsas. Las
armónicas que son notorias son aquellas de orden bajo, como 3a ,5a, 7a
3. La conexión de los transformadores de corriente en ambos lados de la
diferencial, deben de tener en consideración el desfasamiento de las
conexiones estrella/triangulo. Para evitar este desfasamiento, se da una
solución práctica y simple que consiste en conectar los transformadores de
corriente en ambos lados del diferencial en conexión, opuesta a la del
devanado del transformador de potencia correspondiente.
Este tipo de protección solo protege la maquina o el objeto que este entre sus
transformadores de corriente. Esto es debido a que los transformadores se an
elegido de forma que su relación de transformación nos de la misma corriente
secundaria en los dos casos. Por ello si por el primario del transformador que
queremos proteger circulan cuarenta amperios y por el secundario circulan
doscientos amperios tanto los transformadores de corriente del primario como los
del secundario nos darán cinco amperios, por lo que la resta de las dos corrientes
será nula y no actuara la protección diferencial (no olvidemos que los
transformadores de corriente actúan como fuentes ideales de corriente). Aun asi la
realidad será diferente y el relé diferencial tendremos que tararlo para que de la
orden de disparo cuando supere un determinado valor.
En caso de falta (dentro de la protección diferencial) la resta nos dará una
corriente bastante superior a cero, y el relé se excitara.
A continuación observamos los dos casos posibles:
Condiciones nominales:
En caso de falta:
Protección diferencial de transformadores con neutro conectado a
tierra a través de una impedancia de bajo valor
En los transformadores de potencia que se encuentran en sistemas en donde los
valores de fala a tierra puedan resultar elevados y requieran de un elemento
limitador de corriente en el neutro de la estrella, se puede usar una variante de la
proteccion diferencial para detectar cuando es una falla a tierra. Aquí vemos como
es el circuito utilizado:
Se observa que en condiciones de funcionamiento nominales los tres
transformadores dan tres corrientes iguales en modulo y desfasadas 120 grados en
el espacio, es decir que la corriente que sale de estos es nula. Por otro lado la
corriente por el neutro también será nula puesto que no hay ninguna falta.
Aquí se muestra como cuando hay una falta fuera de la protección diferencial el
relevador no dispara, puesto que la corriente que circula por el neutro y la que
circula por la fase es la misma.
Aquí vemos como si que actuara el relevador, puesto que al producirse la falla
dentro de la zona de protección se producirá un desequilibrio entre la corriente
que circula por el neutro y la que circula por la linea.
Protección de transformadores contra acumulación de gases o fallas
incipientes.
En transformadores de potencia cierto tipo de fallas tienden a producir gases en
el interior, estas fallas por lo general son fallas francas que se manifiestan como
arco eléctrico como fallas incipientes, es decir, el inicio hacia una falla. A esta
protección se la conoce por el nombre de Buchholz. Su operación en función de la
magnitud de la falla puede darse en 6-12 ciclos a la frecuencia del sistema.
Este dispositivo basa su funcionamiento en el desplazamiento del aceite que se
producirá al iniciarse la falla. Para poder aprovechar este efecto lo instalaremos en
el tubo que une el tanque principal del transformador con el depósito de
expansión.
Aquí vemos los diferentes pasos en los que salta la protección en función de la
magnitud de la falla:
a. Cuando hay una falla incipiente, por ejemplo un agrietamiento
que se produce en el aislamiento del transformador, se inicia la
producción de gas en el aceite, por efecto de la descomposición.
b. Los gases tienden a desplazarse en el aceite a la parte superior
del transformador, introduciéndose al tanque del conservador a
través de un tubo donde esta instalado el relevador.
c. Con este desplazamiento se detectan fallas incipientes, puesto
que los gases actúan sobre los flotadores de baja presión del
relevador mandando una señal de alarma.
d. Si el desplazamiento de los gases es brusco y produce una
mayor presión, entonces actuara el flotador de disparo.
Protección de sobre corriente y de sobrecarga de transformadores
En los transformadores de gran potencia la protección de respaldo (protección
secundaria) se hace manualmente por relevadores de sobre corriente. La
probabilidad de que la protección secundaria opere para una falla interna en el
transformador es pequeña, ya que existen distintos tipos de protección
primaria para el transformador (relevador diferencial, relevador de gas y
válvula de alivio de presión).
Por ello este tipo de protección que consistirá en dos relevadores, 50 y 51
tendrá como fin proteger a la máquina de fallas externas a ella. El relevador 50
será el instantáneo, este actuara si alguno de los tres transformadores de
corriente detecta una corriente de falta instantáneamente. El relevador 51 será
de tiempo inverso, por ello lo podremos emplear para proteger el
transformador de sobrecargas, las cuales pueden tener efectos muy
perjudiciales para la vida del mismo. Aquí se ven las diferentes curvas en
función del tipo de relé. En la última vemos que cuanto más se acerque la
corriente de sobrecarga más tardara está en excitar el relé.
Aquí se muestra un ejemplo de la protección de corriente instantánea y de
sobre corriente, además de un rele direccional, el cual en función del origen
de la falla dará orden o no de apertura (no olvidemos que esta en serie con
el 50 y el 51).
Con la acción de ambos relés se consigue tener orden de apertura del interruptor (52) si
la magnitud de la corriente de falla es mayor que un valor preestablecido (pick-up) y la
dirección del flujo es concordante con una dirección preestablecida en el relé direccional;
de otra manera, no hay orden de apertura del interruptor aunque la magnitud de la
corriente circulante sea superior al valor “pick-up” del relé de sobre corriente.
Protección térmica del transformador
La protección térmica de transformadores se hace por medio de indicadores de
temperatura, cuya operación indica que se alcanzaron los límites de temperatura
predeterminados para el aceite o los devanados. Estos son calibrados para ser usados de
acuerdo con el tipo de transformador y se toma en consideración lo siguiente.
Temperatura del punto más caliente.
Temperatura del aceite.
Los circuitos de control para este tipo de protección tienen uno o más contactos que se
pueden usar para:
Conectar ventiladores.
Accionar bombas de circulación forzada de aceite.
Dar señales de alarma.
Indicador de temperatura del aceite
A continuación se muestra un indicador de temperatura del aceite. Este indicador está
compuesto de tres partes principales:
Bulbo.
Tubo capilar.
Caja y escala indicadora.
Tanto el tubo capilar como el bulbo contienen mercurio, estando este último localizado en
el interior del transformador, en la parte superior de este. Cuando la temperatura del
transformador aumenta, el mercurio se expande accionando un resorte dando como
resultado la indicación de temperatura .En caso de que la temperatura siga subiendo, la
aguja provocara el cierre de contactos que hacen sonar una alarma.
En los transformadores con ventilación forzada automática, la aguja móvil al alcanzar 70
grados cierra los contactos que conectan los ventiladores. Cuando la temperatura
continua subiendo, la aguja móvil al alcanzar 85 grados cerrará los contactos que accionan
tanto la alarma visual como la sonora. Si la temperatura continua elevándose podrá
operar la protección de primera line del transformador.
Indicador de temperatura del devanado
Es usado para medir la temperatura más caliente del devanado, estando constituido por
un bulbo, tubo capilar, caja mostradora y contactos como en el indicador de temperatura
del aceite. Además este no está colocado entre los devanados del transformador, debido a
la gran dificultad de aislar al bulbo de los mismos.
Para superar este problema, el bulbo se localiza en un compartimento cerrado y aislado
con aceite entre resistencias de calentamiento, que recibe corriente de un TC situado en
la boquilla del transformador.
La corriente del trasformador de potencia se reflejara proporcionalmente a través del
transformador de corriente, para las resistencias donde está el bulbo. Por medio de la
calibración, el indicador de temperatura nos proporciona fielmente el estado de
calentamiento del punto mas caliente del devanado, y por este motivo a este tipo de
indicador se le conoce por Imagen térmica.
Este indicador consta de un sistema para proteger al transformador de
sobrecalentamiento. Este sistema se basa en contactos que se irán cerrando a medida que
aumente la temperatura. Por ejemplo si la temperatura es de 95 grados, la alarma sonora
y la alarma visual saltaran. Si su temperatura aumentase más de 105 grados centígrados,
actuara la protección de primera línea del transformador.
Protección contra falta de aceite en transformadores
Como se sabe el aceite existente en los transformadores tiene dos funciones:
Permitir reducir la distancia entre las partes con potencial del transformador,
gracias a sus propiedades aislantes. Con esto conseguimos una maquina más
compacta.
Facilita el transporte del calor desarrollado en el núcleo del transformador hacia
las paredes del tanque y radiadores, debido a sus propiedades refrigerantes.
Los transformadores de gran potencia utilizan indicadores que permiten la supervisión
visual del nivel de aceite. Entre los más usados para este fin se encuentra el indicador de
nivel magnético.
Este dispositivo esta conectado en el tanque conservador y consta fundamentalmente de
un flotador sujeto da una varilla, que queda en el interior del tanque conservador. Este
indicador se dice que es magnético debido a que no existe conexión mecánica entre su eje
y la aguja o indicador exterior. Esto se consigue mediante dos imanes permanentes, uno
en el interior del tanque conservador y otro en el indicador.
Generalmente el nivel de aceite baja por causa de fugas en las juntas del transformador y
en algunas de sus válvulas. Si el nivel bajase más de lo debido y no tuviésemos esta
protección provocaríamos una falta debido a la falta de aislamiento.