subestaciones elÉctricas
TRANSCRIPT
1
SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
INTRODUCCIÓN:
Por razones técnicas (aislamiento, enfriamiento, etc.) los voltajes de
generación en las centrales generadoras son relativamente bajos en
relación con los voltajes de transmisión de modo que si la energía
eléctrica se va a transportar a grandes distancias estos voltajes de
generación resultarían antieconómicos debido a que se tendría gran
caída de voltajes.
De aquí se presenta la necesidad de transmitir la energía eléctrica a
voltajes más elevados que resulten más económicos. Por ejemplo, si
se va a transmitir energía eléctrica de una central generadora a un
centro de consumo que está situado a 1,000 km de distancia será
necesario elevar el voltaje de generación, que supondremos de 13.8
KV, a otro de transmisión, mediante una subestación, el cual
asumimos que sea de 110 KV, como se ilustra en la figura.
Suponiendo que la caída de voltaje en la línea de transmisión fuera 0
volts tendríamos en el centro de consumo 110 KV. Es claro que este
voltaje no es posible emplearlo en instalaciones industriales y aún
menos en comerciales y residenciales por lo cual se tiene la necesidad
de reducir el voltaje de transmisión de 110 KV a otro u otros más
convenientes de distribución en centros urbanos de consumo. Por tal
razón será necesario emplear otra subestación, como se ilustra en la
figura.
2
DEFINICIÓN:
Una subestación eléctrica (S.E.) es un conjunto de elementos o
dispositivos los cuales intervienen en el proceso de generación-consumo
de energía eléctrica de una manera que nos permiten cambiar las
características de energía eléctrica (voltaje, corriente, etc.), tipo (c.a. o
c.c.) o bien conservarle dentro de ciertas características. Las
subestaciones sirven como punto de interconexión para facilitar la
transmisión y distribución de la energía eléctrica, es decir son
componentes del sistema eléctrico de potencia (S.E.P.).
ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA
SUBESTACIÓN:
Los elementos que constituyen una subestación se pueden clasificar en
elementos principales y elementos secundarios.
ELEMENTOS PRINCIPALES:
3
Transformador de Potencia.- Un Transformador es una máquina
estática electromagnética, diseñada para la transferencia de energía de
un circuito primario de corriente alterna, a un circuito secundario con la
misma frecuencia, cambiando algunos parámetros como corriente,
tensiones y ángulo de desfasamiento. El tipo de enfriamiento
OA/FOA/FOA se utiliza en transformadores con capacidades de 10000
KVA (10MVA) monofásicos y 15000KVA (15MVA) trifásicos; fue el que
encontramos en la subestación visitada. El enfriamiento OA/FOA/FOA no
es más que un transformador sumergido en aceite con enfriamiento
propio a base de aire forzado y aceite forzado; éste transformador es
básicamente un OA, con adición de ventiladores y bombas para la
circulación de aceite
Interruptor de Potencia.- Los interruptores de potencia son
dispositivos automáticos de conmutación de gran importancia para los
sistemas de potencia. Por medio de los interruptores se realiza cualquier
cambio de los esquemas de las redes de corriente para todos los
posibles regímenes de operación a un punto dado del sistema.
Genéricamente, un interruptor es un dispositivo cuya función es
interrumpir y restablecer la continuidad en un circuito eléctrico. Los
interruptores de potencia, como ya se mencionó, interrumpen y
restablecen la continuidad de un circuito eléctrico. La interrupción la
deben efectuar con carga o corriente de corto circuito. Se construyen en
dos tipos generales: a) Interruptores de aceite; y, b) Interruptores
neumáticos.
Restauradores.- Es un interruptor de aceite con sus tres contactos
dentro de un mismo tanque y que opera en capacidades interruptivas
relativamente bajas y tensiones no muy elevada. Los restauradores
normalmente esta construidos para funcionar con tres operaciones de
cierres y cuatro de aperturas con un intervalo entre una y otra calibrada
4
de mano en la última apertura el cierre debe ser manual ya que indica
que la falla es permanente.
Cuchillas fusibles.- Es un elemento de conexión y desconexión de
circuitos eléctricos. Tiene dos funciones: como cuchilla desconectadora,
para lo cual se conecta y desconecta, y como elemento de protección. El
elemento de protección lo constituye el dispositivo fusible, que se
encuentra dentro del cartucho de conexión y desconexión.
El dispositivo fusible se selecciona de acuerdo con el valor de corriente
nominal que va a circular por él, pero los fabricantes tienen el
correspondiente valor de corriente de ruptura para cualquier valor de
corriente nominal. Los elementos fusibles se construyen
fundamentalmente de plata (en casos especiales), cobre electrolítico con
aleación de plata, o cobre aleado con estaño.
Cuchillas desconectadoras (Seccionadores) y Cuchillas de
Prueba.- Las cuchillas desconectadoras se aplican para dar aislamiento
físico a los elementos en desconexión, operan sin carga y se aplican
desde baja tensión hasta alta tensión. Se clasifican por la forma en que
se instala, la cuchilla recibe el nombre de:
a) Con dos aisladores (accionados con pértiga), operación
vertical. También conocida como Vertical LCO u
Horizontal Standard.
b) Con dos aisladores, uno fijo y otro giratorio en el plano
horizontal.
c) Pantógrafo o separador de tijera.
d) Cuchilla tipo “AV”.
e) Cuchilla de tres aisladores, el de centro movible por
cremallera
f) Cuchillas desconectadoras con cuernos de arqueo
g) Cuchilla tripolar de doble aislador giratorio
5
Las cuchillas de prueba están destinadas a operar con carga, y estas
van perpendiculares a las cuchillas seccionadoras.
Pararrayos.- Es un dispositivo que nos permite proteger las
instalaciones contra sobretensiones de tipo atmosférico. Las ondas que
se presentan durante una descarga atmosférica viajan a la velocidad de
la luz y dañan al equipo, si no se lo tiene protegido correctamente; para
la protección del mismo se deben tomar en cuenta los siguientes
aspectos:
Descargas directas sobre la instalación
Descargas indirectas
De los dos casos anteriores, el más interesante por
presentarse con mayor frecuencia, es el de las descargas
indirectas. El pararrayos, es un dispositivo que se
encuentra conectado permanentemente en el sistema y
opera cuando se presenta una sobretensión de
determinada magnitud, descargando la corriente a tierra.
Su principio general de operación se basa en la formación
de un arco eléctrico entre dos explosores cuya operación
está determinada de antemano de acuerdo a la tensión a la
que va a operar.
Tableros de Control, Protección y Medición (CPM).- Es el cual
puede estar blindado de dos frentes, sin pasillo al centro y se instala a
intemperie, o en algunos casos lo instalan en el interior bajo techo,
directamente al concreto y con acceso por alguno de los lados.
Transformadores de instrumento.- Se denominan como
transformadores de instrumento los que se emplean para la
alimentación de equipos de medición, control o protección. Se dividen
6
en dos clases: transformador de corriente (TC’s) y transformador de
potencial (TP’s).
Transformador de Corriente (TC’s) .- Se conoce como
transformador de corriente (TC’s) como aquel cuya
función principal es cambiar el valor de la corriente de
uno más o menos elevado a otro valor con lo cual se
puede alimentar el instrumento ya sea de medición,
control o protección. Como amperímetros, watímetros,
varmetros, instrumentos registradores, relevadores de
sobre corriente etc.
Transformador de Potencial (T’Ps) .- Se denomina
transformador de potencial a aquel cuya función principal
es transformar los valores de tensión sin tomar en cuenta
la corriente. Estos transformadores sirven para alimentar
instrumento de medición, control o protección en que se
requiera señal de tensión.
ELEMENTOS SECUNDARIOS
Cables de potencia.
Cables de control.
Alumbrado.
Estructura.
Herrajes.
Equipo contra incendio.
Equipo de filtrado de aceite.
Sistema de tierras.
Intercomunicación.
Trincheras, conducto, drenajes.
CLASIFICACIÓN DE LAS SUBESTACIONES
ELÉCTRICAS:
7
Las subestaciones eléctricas por su tipo de servicio se clasifican en:
Elevadoras, Reductoras, Compensadoras, de Maniobra o Switcheo,
Principal del Sistemas de Distribución, de Distribución, Rectificadoras e
Inversoras.
SUBESTACIONES ELEVADORAS:
También conocida como subestación transformadora primaria, permite
el aumento de la tensión generada, con el fin de reducir la corriente y
por lo tanto el grosor de los conductores y las pérdidas. Este proceso se
usa comúnmente para facilitar el transporte de la energía, la reducción
de las pérdidas del sistema y mejoras en el proceso de aislamiento de
los conductores.
Se ubica en lugares adyacentes a las centrales generadoras y están
conformadas esencialmente por transformadores, los cuales operan con
equipos y dispositivos, que complementan y facilitan la operación de los
mismos. Las subestaciones se construyen en las plantas eléctricas con la
finalidad de elevar el voltaje de generación hasta los niveles de
transmisión.
La tensión nominal de un generador puede variar en función de su
potencia, de esta forma podemos tener generadores de baja tensión
como: 220, 440 y 660V; y generadores de media tensión como: 2.2, 4.6
y 13.8 KV. La ventaja de utilizar tensiones superiores es para disminuir
la corriente y así, poder usar conductores de menor diámetro,
economizando espacio y disminuyendo el tamaño de los generadores.
El valor máximo de la tensión de la generación está limitado a un valor
de 13.8KV, mientras que para tensiones superiores a esta, el espesor del
aislamiento es muy grande, contrarrestando el ahorro de la reducción
del diámetro de los conductores.
8
Cuando la potencia generada es pequeña y la carga se encuentra cerca
del generador, se puede generar en baja tensión y alimentar las cargas
directamente a partir del generador. Cuando la potencia generada es
mayor, y la distancia entre las cargas es grande, es necesario reducir al
máximo la corriente, de modo que podamos utilizar conductores más
delgados.
Generalmente, las líneas utilizadas son aéreas, en las cuales no existen
mayores problemas de aislamiento, y la reducción del diámetro y del
peso de los conductores implica un gran ahorro en las estructuras de
apoyo.
Por otra parte, las pérdidas en las líneas de transmisión son
proporcionales al cuadrado de la corriente y por lo tanto, cuanto menor
sea la corriente menores serán las pérdidas.
SUBESTACIONES REDUCTORAS:
En estas subestaciones, los niveles de voltaje de transmisión se reducen
al siguiente (subtransmisión), o de subtransmisión a distribución, o
eventualmente a utilización.
Estas son subestaciones que se encuentran en las redes de transmisión,
subtransmisión o distribución y constituyen el mayor número de
subestaciones en un sistema eléctrico.
La tensión primaria de los transformadores depende de la tensión de la
línea de transporte (66, 110, 220 o 380 kV). Mientras que la tensión
secundaria de los transformadores está condicionada por la tensión de
las líneas de distribución.
Características de un transformador trifásico
Se puede considerar formado por tres partes principales:
9
Parte activa
Parte pasiva
Accesorios
Parte activa
Es formada por un conjunto de elementos separados del tanque principal y que agrupa los siguientes elementos:
1. Núcleo. Este constituye el circuito magnético, que está fabricado en lámina de acero al silicio, con un espesor de 0.28 mm.
La norma que utiliza el fabricante para el diseño del núcleo no establece formas ni condiciones especiales para su fabricación. Se busca la estructura más adecuada a las necesidades y capacidades del diseño. El núcleo puede ir unido a la tapa y levantarse con ella, o puede ir unido a la pared del tanque, lo cual produce mayor resistencia durante las maniobras mecánicas de transporte.
2. Bobinas. Estas constituyen el circuito eléctrico. Se fabrican utilizando alambre o solera de cobre ò de aluminio. Los conductores se forran de material aislante, que puede tener diferentes características, de acuerdo con la tensión de servicio de la bobina, la temperatura y el medio en que va a estar sumergida.
Las normas tampoco establecen condiciones específicas quedando en manos de los diseñadores el adoptar criterios que vayan de acuerdo con la capacidad y la tensión, y que incidan en la forma de las bobinas.
Los devanados deben tener conductos de enfriamiento radiales y axiales que permitan fluir el aceite y eliminar el calor generado en su interior. Además , deben de tener apoyos y sujeciones suficientes para soportar los esfuerzos mecánicos debidos a su
10
propio peso, y sobre todo los de tipo electromagnético que se producen durante los cortocircuitos.
Las bobinas según la capacidad y tensión del transformador pueden ser de tipo rectangular para pequeñas potencias, de tipo cilíndrico para potencias medianas y de tipo galleta para las potencias altas.
3. Cambiador de derivaciones Constituye el mecanismo que permite regular la tensión de la energía que fluye en un transformador. Puede ser de operación automática o manual, puede instalarse en el lado de alta o baja tensión dependiendo de la capacidad y tensión del aparato, aunque conviene instalarlos en alta tensión, debido a que su costo disminuye en virtud de que la intensidad de corriente es menor
4. Bastidor.
Está formado por un conjunto de elementos estructurales que rodean el núcleo y las bobinas, y cuya función es soportar los esfuerzos mecánicos y electromagnéticos que se desarrollan durante la operación del transformador.
5.- Parte pasiva
Consiste en el tanque donde se aloja la parte activa; se utiliza en los transformadores cuya parte activa va sumergida en líquidos.
El tanque debe ser hermético, soportar el vacío absoluto sin presentar deformación permanente, proteger eléctrica y mecánicamente el transformador, ofrecer puntos de apoyo para el transporte y la carga del mismo, soportar los enfriadores, bombas de aceite, ventiladores y los accesorios especiales.
11
6.- Accesorios
Los accesorios de un transformador son un conjunto de partes y dispositivos que auxilian en la operación y facilitan las labores de mantenimiento.
Entre estos elementos se destacan los siguientes
Tanque conservador.
Es un tanque extra colocado sobre el tanque principal del transformador, cuya función es absorber la expansión del aceite debido a los cambios de temperatura provocados por los incrementos de carga. El tanque se mantiene lleno de aceite aproximadamente hasta la mitad. En caso de una elevada temperatura, el nivel de aceite se eleva comprimiendo el gas contenido en la mitad superior si el tanque es sellado, o expulsando el gas hacia la atmósfera si el tanque tiene respiración. La tubería entre los dos tanques debe permitir un flujo adecuado de aceite. En ella se instala el relevador de gas (Buchoolz) que sirve para detectar fallas internas en el transformador.
Boquillas.
Son los aisladores terminales de las bobinas de alta y baja tensión que se utilizan para atravesar el tanque o la tapa del transformador.
Válvulas.
Es un conjunto de dispositivos que se utilizan para el llenado, vaciado, mantenimiento y muestreo del aceite del transformador.
Conectores de tierra.
12
Son unas piezas de cobre soldadas al tanque donde se conecta el transformador a la red de tierra.
Placa de características.
Esta placa se instala en un lugar visible del transformador y en ella se graban los datos más importantes como son potencia, tensión, por ciento de impedancia, número de serie, diagramas vectorial y de conexiones, número de fases, frecuencia, elevación de temperatura, altura de operación sobre el nivel del mar, tipo de enfriamiento, por ciento de variación de tensión en los diferentes pasos del cambiador enfriamientote los transformadores de derivaciones, peso y año de fabricación.
Tipos de enfriamiento
El se clasifica en los siguientes grupos
Tipo OA.
Sumergido en aceite con enfriamiento propio. Por lo general en el transformador de más de 50 KVA se usan tubos radiadores ó tanque corrugados para disminuir las pérdidas, en mayores a 3000 KVA se usan radiadores de tipo desmontable. Este tipo de transformador con voltajes de 46 KV ó menores
13
puéden tener como medio de enfriamiento líquido inerte aislante en vez de aceite.
Tipo OA/FA. Sumergido en aceite con enfriamiento propio por medio de aire forzado. Este transformador es básicamente un OA con adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor.
Tipo OA/FA/FOA. Sumergido en aceite con enfriamiento propio a base de aire forzado y aceite forzado. Éste transformador es básicamente un OA con adición de ventiladores y bombas para circulación de aceite.
Tipo FOA. Sumergido en aceite enfriado con aceite forzado. Este tipo de transformador se usa donde únicamente se desea que opere al mismo tiempo las bombas y los ventiladores, en tales condiciones, absorben cualquier carga a plena capacidad.
Tipo OW. Sumergido en aceite y enfriado con agua. En este tipo de transformador el agua de enfriamiento es conducida por serpentines que están en contacto con el elemento aislante y el aceite circula alrededor de los serpentines y es enfriado por convección natural.
Tipo A/A. de tipo seco con enfriamiento propio, no contiene aceite ni otros líquidos para enfriamiento; son usados en voltajes nominales menores a 15 KV en pequeñas capacidades.
Tipo AFA. Tipo seco enfriado por aire forzado, estos tienen una capacidad simple basada en la circulación de aire forzado ó ventiladores ó sopladores.
Conexiones de transformadores
Para seleccionar un transformador es necesario conocer las ventajas y desventajas de cada una de las conexiones más utilizadas. Dichas conexiones son:
Estrella- estrella. Sus características son las siguientes:
a) Aislamiento mínimo.b) Cantidad de cobre mínimo.
14
c) Circuito económico para baja carga y alto voltajed) Los dos neutros son accesibles.e) Alta capacitancia entre espiras, que reduce los esfuerzos
dieléctricos durante los transitorios debidos a tensión.f) Neutros inestables, si no se conectan a tierra.
Las ventajas de esta conexión son las siguientes:
-Posibilidad de obtener neutros tanto en alta como en baja tensión
-El neutro permite obtener dos tensiones diferentes como en el caso de líneas de
distribución (220-127V)
-utilizado normalmente para pequeñas potencias y tensiones elevadas
-Más económico por aplicarse una tensión en cada fase y por consiguiente disminuir el número de espiras y aislamiento.
Desventajas:
-El desequilibrio de tensiones en la línea conectada al primario es el principal inconveniente, que aparece cuando hay fuertes desequilibrios de la carga secundaria, (solamente se emplearan cuando no se prevean grandes desequilibrios fase-neutro en nlas cargas 10% de la corriente secundaria máxima en transformadores con núcleo trifásico).
-Otro inconveniente es que no presentan oposición a terceras armónicas cuando se aterrizan sus neutros.
Estrella -estrella con terciario en delta. Sus características son:
a) la delta del terciario proporciona un camino cerrado para la tercera armónica de la corriente magnetizante, lo cual elimina los voltajes de la tercera armónica en los devanados principales.
b) el terciario se puede utilizar para alimentar el servicio de estación, aunque no es muy recomendable por las altas corrientes de cortocircuito que se obtienen.
c) Aumenta el tamaño y costo del transformador.
Delta-delta.
15
Es una conexión raramente usada. Se utiliza en tensiones bajas y medias sus características son:
a) en caso de que a un banco de transformadores se le dañe una fase una fase, se puede operar utilizando la conexión delta abierta ò V.
b) circuito económico para alta carga y bajo voltaje.c) Las dos deltas proporcionan un camino cerrado para la tercera
armónica de la corriente magnetizante, lo cual elimina los voltajes de tercera armónica.
d) No se pueden conectar a tierra los puntos neutros. Se necesita utilizar un banco de tierra, lo cual encarece más el banco.
e) Se necesitan mayores cantidades de aislamiento y de cobre.f) La conexión delta se usa con aislamiento total y rara vez se usa
para tensiones superiores a 138 KV por el alto costo del aislamiento.
Esta conexión se emplea en sistemas cuyos voltajes no son muy elevados. En caso de reparación o falla de una unidad la conexión delta –delta se reduce a una conexión AA (pero su capacidad disminuye a al 58% de la total).
Las ventajas de esta conexión son:
-Los desequilibrios motivados por las carga sen el secundario se reparten igualmente entre las fases del primario, evitando los desequilibrios de flujos magnéticos.
Sus desventajas son:
-No se dispone de salida de neutro por en el primario y secundario con la consiguiente limitación de su uso.
-Cada bobina debe soportar la tensión de la red (opuesta ) con el consiguiente aumento del número de espiras.
Delta-estrella.
Esta conexión es de las más utilizadas, se utiliza en los sistemas de potencia para elevar voltajes de generación ó de transmisión. En los sistemas de distribución (a 4 hilos) para alimentar equipos de fuerza y alumbrado.
16
Se acostumbra utilizar en transformadores elevadores de tensión. Sus características son:
a) Al aterrizarse el neutro del secundario se aíslan las corrientes de tierra de secuencia cero.
b) Se eliminan los voltajes de tercera armónica aunque la corriente magnetizante de tercera armónica se queda circulando dentro de la delta del primario.
c) La conexión estrella se usa con aislamiento graduado hasta el valor de la tensión del neutro.
Las ventajas son:
-Al producirse un desequilibrio en la carga no motiva asimetría del flujo, por producirse un reparto entre las tres columnas del primario.
Sus desventajas son:
-Este tipo de transformadores prácticamente no presenta desventajas. Es muy utilizado también como transformador elevador.
Estrella –delta.
Esta conexión se utiliza muy poco.
Se acostumbra utilizar en transformadores reductores de tensión. Sus características son:
a) No se puede conectar a tierra el lado secundario.b) Se eliminan los voltajes de tercera armónica, porque la corriente
magnetizante de la tercera armónica se queda circulando dentro de la delta del secundario.
Las ventajas son:
-En el funcionamiento con cargas desequilibradas, el desequilibrio en dos fases se reparte en las fases del segundo, por tanto, transmitiéndose a las tres fases del primario.
Sus desventajas son:
-No dispone de salida de neutro, por lo tanto no tiene utilidad en redes de distribución a dos tensiones.
-Cualquier interrupción en alguna fase del secundario deja fuera de funcionamiento al transformador.
17
-Aunque en el primario puede conectarse a tierra, no es aconsejable por dar lugar a la aparición de armónicas.
T-T Es una conexión raramente usada. Solo se utiliza en casos especiales en que se alimenten cargas tri, bi y monofásicas juntas, sus características son:
a) Comportamiento semejante a la conexión estrella-estrella.
b) Tiene ambos neutros disponibles.
c) Los voltajes y corrientes de tercera armónica pueden ocasionar problemas.
d) Se necesitan dos transformadores monofásicos para la conexión.
e) La capacidad debe ser 15% mayor que la carga por alimentar.
Zig-zag. Se utiliza en transformadores de tierra conectados a bancos con conexión delta, para tener en forma artificial una corriente de tierra que energice las protecciones de tierra correspondientes.
Autotransformador. Se utilizan cuando la relación de transformación es menor de dos. Son más baratos que los transformadores equivalentes. Sus características son:
a) Menor tamaño, peso y costo.b) Como la impedancia entre primario y secundario es menor que en
un transformador, se presenta una posibilidad mayor de fallas.c) Debido a que solo existe una bobina, el devanado de baja tensión
también debe de soportar las sobretensiones que recibe el devanado de alta tensión.
d) Las conexiones en el primario y el secundario deben ser siempre iguales o sea estrella-estrella o delta-delta; estas últimas no son usuales.
Operación en paralelo de transformadores
18
Para la conexión en paralelo de dos ó más transformadores se deben cumplir las siguientes condiciones:
I.- Igual tensión en vacío de de los devanados correspondientes en cada transformador.
II.- La misma polaridad de los devanados.
III.- Igualdad entre las tensiones de corto circuito y las componentes activa y reactiva de la misma magnitud.
Por lo general, las terminales de alta tensión de los transformadores se denotan por la letra H (mayúscula) y las de baja tensión con la letra x.
IV.- Es recomendable dentro de lo posible y con el objeto de tener una mejor condición de operación que los transformadores tengan igual impedancia.
Es conveniente recordar aquí que la repartición de las corrientes en los transformadores en paralelo se obtiene partiendo de la base que operan todos a la misma tensión.
19
Supóngase que se tienen dos transformadores en paralelo alimentando a una carga Zc
Figura
I1, I2 representan las corrientes que circulan por cada uno de ellos para alimentar la corriente de carga Ic.
Es decir: Ic = I1 + I2
Para hacer el estudio de repartición de la carga es necesario representar al transformador por medio de su circuito equivalente, es decir, con sus impedancias óhmicas referidas al primario ó al secundario.
20
Figura
Si las caídas de tensión en cada transformador son: V1 y V2 se debe cumplir que:
V1 = V2
Ó sea Z1 I1 = Z2 I 2
O sea que I1 / I2 = Z2 / Z1
Si en lugar de considerar las impedancias equivalentes expresadas en ohms se toman las impedancias de por ciento se puede escribir:
Haciendo referencia a las corrientes nominales de los transformadores IN1, IN2
I1/ I2 = (I1N/Z1% I1N) / (I2N/Z% I2N)
O bien hacienda referencia a los valores de corto circuito del transformador
21
I1/I2 = (I1N/ Z1 %) / (I2N /Z2 %)
Si los factores de potencia de corto circuito de los transformadores para la prueba de corto circuito. Son iguales entonces las corrientes I1, I2 estarán en fase y entonces la relación entre sus potencias nominales es igual a la relación de sus potencias entregadas ó sea que se satisface:
P N1 / P N2 = P1 / P2
Cuando el factor de potencia no es igual a la suma de las potencias no es igual a la potencia total de la instalación y la discrepancia es mayor cuanto más grande sea la diferencia entre los factores de potencia de los transformadores.
Por conveniencia en el desarrollo y en la aplicación de las expresiones se emplean los valores de placa del transformador y entre otros se toma la impedancia expresada en por ciento por lo que resulta necesario el concepto de potencial del transformador referida a la tensión de corto circuito expresada en por ciento que por definición es la impedancia de corto circuito del transformador expresada en por ciento.
Z1 % = ((Z1 I N1) / (V1) ) (100)
Por lo que:
P1% = P 1N / Z1 %
P2% = P 2N / Z2 %
22
Especificaciones de transformadores.
1.-Número de unidades.
2.-Capacidad nominal en MVA ó KVA.
3.-voltajes nominales.
4.-Número de fases
5.-Clase de enfriamiento.
6.-Frecuencia.
7.-impedancia.
8.-tipo de núcleo (columnas ó acorazado).
9.-Sobreelevación de temperatura.
10.-Altura de operación sobre el nivel del mar.
11.-Devanado en alta tensión.
23
11.1.-Capacidad nominal en MVA ó KVA.
11.2.-Voltaje nominal en KV.
11.3.-Clase de aislamiento.
11.4.-Nivel básico de aislamiento al impulso por rayo.
11.5.-Conexión.
11.6.-Neutro.
11.7.-Derivaciones arriba del voltaje nominal en por ciento.
11.8.-Derivaciones abajo del voltaje nominal en por ciento.
11.9.-Transformador de corriente.
11.10.-Nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra.
12.-Boquillas alta tensión.
12.1.-Tipo
12.2.-Clase de aislamiento.
12.3.-Nivel básico de aislamiento al impulso.
12.4.-Conductores terminales.
13.-Devanado baja tensión (los mismos datos para devanado alta tensión).
14.-Boquilla baja tensión (los mismos datos para boquillas alta tensión).
24
DIAGRAMAS UNIFILARES
Los diagramas unifilares representan todas las partes que componen a un sistema de potencia de modo gráfico, completo, tomando en cuenta las conexiones que hay entre ellos, para lograr así la forma una visualización completa del sistema de la forma más sencilla. Ya que un sistema trifásico balanceado siempre se resuelve como un circuito equivalente monofásico, o por fase, compuesto de una de las tres líneas y un neutro de retorno, es rara vez necesario mostrar más de una fase y el neutro de retorno cuando se dibuja un diagrama del circuito. Muchas veces el diagrama se simplifica aún más al omitir el neutro del circuito e indicar las partes que lo componen mediante símbolos estándar en lugar de sus circuitos equivalentes. No se muestran los parámetros del circuito, y las líneas de trasmisión se representan por una sola línea entre dos terminales. A este diagrama simplificado de un sistema eléctrico se te llama diagrama unifilar o de una línea. Éste indica, por una sola línea y por símbolos estándar, cómo se conectan las líneas de transmisión con los aparatos asociados de un sistema eléctrico.
El propósito de un diagrama unifilar es el de suministrar en forma concisa información significativa acerca del sistema.
25
La importancia de las diferentes partes de un sistema varía con el problema, y la cantidad de información que se incluye en el diagrama depende del propósito para el que se realiza. Por ejemplo, la localización de los interruptores y relevadores no es importante para un estudio de cargas. Los interruptores y relevadores no se mostrarían en el diagrama si su función primaria fuera la de proveer información para tal estudio. Por otro lado, la determinación de la estabilidad de un sistema bajo condiciones transitorias resultantes de una falla depende de lavelocidad con la que los relevadores e interruptores operan para aislar la parte del sistema que ha fallado. Por lo tanto, la información relacionada con los interruptores puede ser de extrema importancia. Algunas veces, los diagramas unifilares incluyen información acerca de los transformadores de corriente y de potencia que conectan los relevadores al sistema o que son instalados para medición.
SIMBOLOGIA
26
Es importante conocer la localización de los puntos en que el sistema se aterriza, con el fin de calcular la corriente que fluye cuando ocurre una falla asimétrica que involucro la tierra El símbolo estándar para designar a una conexión Y trifásica con el neutro sólidamente conectado a tierra. Si una resistencia o reactancia se inserta entre el neutro de la Y y la tierra, para limitar el flujo de corriente a tierra durante la falla, se le pueden adicionar al símbolo estándar de la Y aterrizada los apropiados para la resistencia o la inductancia. La mayoría de los neutros de transformadores de los sistemas de transmisión están sólidamente aterrizados. Porlo general, los neutros de los generadores se aterrizan a través de resistencias razonablemente elevadas y algunas veces a través de bobinas.
Diagrama Unifilar de un sistema eléctrico de Potencia
Este diagrama unifilar es de un sistema de potencia sencillo. Dos generadores uno aterrizado a través de una reactancia y el otro a través de una resistencia están conectados a una barra y por medio de un transformador de elevación de tensión, a una línea de transmisión. El otro generador aterrizado a través de una reactancia se conecta a una barra y por medio de un transformador, al extremo opuesto de la línea de trasmisión. Una carga está conectada en cada barra. Es común dar información sobre el diagrama que esté relacionada con las cargas, los
27
valores nominales de los generadores y transformadores y con las reactancias de los diferentes componentes del circuito.
DIAGRAMAS DE IMPEDANCIA Y REACTANCIA
El diagrama unifilar se usa para dibujar el circuito equivalente monofásico o por fase del sistema, con el fin de evaluar el comportamiento de éste bajo condiciones de carga o durante la ocurrencia de una falta. La figura la siguiente figura se combina los circuitos equivalentes de los diferentes componentes que se muestran en la figura anterior para formar el diagrama de impedancias monofásico del sistema. Si se realiza un estudio de cargas, las cargas en atraso A y B se representan por una resistencia y una reactancia inductiva en serie. El diagrama de impedancias no incluye las impedancias limitadoras de corriente, mostradas en el diagrama unifilar entre los neutros de los generadores y la tierra, porque no fluye corriente a tierra en condiciones balanceadas y los neutros de los generadores están al mismo potencial que el del sistema. Debido a que la corriente de magnetización de un transformador es, por lo general, insignificante con respecto a la corriente de plena carga, el circuito equivalente del transformador omite con frecuencia la rama de admitancia en paralelo.
Cuando se hacen cálculos de fallas, aun usando programas computacionales, es común no considerar la resistencia. Por supuesto, esta omisión introduce algún error, pero los resultados pueden ser satisfactorios ya que la reactancia inductiva de un esquema es mucho mayor que su resistencia. La resistencia y la reactancia inductiva no se suman directamente, y laimpedancia no es muy diferente de la reactancia inductiva si la resistencia es pequeña. Las cargas que no involucran maquinaria rotatoria tienen un efecto pequeño en la corriente de línea total durante una falla y generalmente se omiten. Sin embargo, as cargas con motores sincrónicos siempre se toman en cuenta al hacer cálculos de fallas ya que sus fems generadas contribuyen a la corriente de corto circuito. Si el diagrama se ya ausar para determinar la corriente inmediatamente después de que una falla ha ocurrido, se deben tener en cuenta los motores de inducción como si fueran fems generadas en
28
serie con una reactancia inductiva. Los motores de inducción se ignoran cuando se desea calcular la corriente unos pocos cielos después de ocurrida la falla, ya que su contribución decae muy rápidamente al cortocircuitarse el motor
.
El diagrama de impedancias se reduce al diagrama de reactancias por fase de la Figura anterior, si se decide simplificar el cálculo de la corriente le falla omitiendo todas las cargas estáticas, todas las resistencias, la rama de admitancia en paralelo de cada transformador y la capacitancia de las líneas de trasmisión. A los diagramas de impedancia y de reactancia monofásicos se les llama diagramas monofásicos de secuencia positiva, ya que muestran las impedancias para corrientes balanceadas en una fase de un sistema trifásico simétrico.
TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO
El transformador de instrumento es el tipo especial de transformadores que estos transformadores se definen como el transformador previsto para proveer los instrumentos que miden, los metros, el relais y el otro aparato similar.
En la corriente grande que mide en a circule la corriente y el voltaje es medido usando el amperímetro bajo de la gama con una desviación conveniente. Para medir la alta resistencia de alto voltaje se utiliza en paralelo.
Para las medidas del circuito de la CA para el measuriment de alto voltaje los instrumentos simples no son especialmente convenientes pues éstos se diseñan para la baja tensión. También un instrumento alto del grado no es conveniente en el punto de vista económico.
La medida de estas cantidades se hace con el dispositivo especial conocido como transformadores de instrumento. Estos transformadores caminan abajo de corriente y de voltaje en la proporción definida. Esta
29
cantidad reducida se mide con la ayuda de los amperímetros y de los voltímetros bajos de la gama y después es cambiada al valor real sabiendo el cociente de la transformación del transformador.
Ventajas De los Transformadores De Instrumento:
Los siguientes son las ventajas de los transformadores de instrumento sobre las desviaciones y los multiplicadores etc.
1. Las lecturas de los transformadores de instrumento no dependen de sus constantes tales como resistencia, capacitancia e inductancia etc.
2. La bobina secundaria de CT &VT demuestra una corriente y un voltaje respectivamente de un valor tan bajo qué caídas en la gama del instrumento que mide se pueden hacer fácilmente.
3. Con el uso del transformador de instrumento el circuito que mide se aísla del circuito de la energía.
4. Con la estandardización de CT y de la bobina secundaria de la pinta es posible estandardizar el instrumento alrededor del grado y así que llega a ser fácil que la fabricación tenga una gran reducción en costes del transformador de instrumento.
Tipos de transformador de instrumento:
Dos tipos de transformador de instrumento están allí.
1. transformador corriente (CT)
2. transformador potencial (PT/VT)
TRANSFORMADORES DE CORRIENTE
La función de un transformadores de corriente es la reducir a valores normales y no peligrosos, las características de corriente en un sistema eléctrico, con el fin de permitir el empleo de aparatos de medición normalizados, por consiguiente más económicos y que pueden manipularse sin peligro.
Un transformador de corriente es un transformador de medición, donde la corriente secundaria es, dentro de las condiciones normales de
30
operación, prácticamente proporcional a la corriente primaria, y desfasada de ella un ángulo cercano a cero, para un sentido apropiado de conexiones.
El primario de dicho transformador está conectado en serie con el circuito que se desea controlar, en tanto que el secundario está conectado a los circuitos de corriente de uno o varios aparatos de medición, relevadores o aparatos análogos, conectados en serie. Un transformador de corriente puede tener uno o variosdevanados secundarios embobinados sobre uno o varios circuitos magnéticos separados.
Los factores que determinan la selección de los transformadores de corriente son:
− El tipo de Transformador de Corriente.
− El tipo de instalación.
− El tipo de aislamiento.
− La potencia nominal.
− La clase de precisión.
− El tipo de conexión.
− La Corriente Nominal Primaria.
− La Corriente Nominal Secundaria.
Tipo de Transformador de Corriente. Existen tres tipos de TC según su construcción:
a) Tipo devanado primario. Este como su nombre lo indica tiene mas de una vuelta en el primario. Los devanados primarios y secundarios están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. Esta construcción permite mayor precisión para bajas relaciones.
31
b) Tipo Barra. Los devanados primarios y secundarios están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. El devanado primario, consiste en un conductor tipo barra que pasa por la ventana de un núcleo.
c) Tipo Boquilla (Ventana o Bushing). El devanado secundario está completamente aislados y ensamblado permanentemente a un núcleo laminado. El conductor primario pasa a través del núcleo y actúa como devanado primario.
TRANSFORMADORES DE POTENCIAL
CARACTERIZACIÓN DEL TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
OBJETIVOS:
Conocer el funcionamiento y aplicar los transformadores de potencial para la medición de tensiones en el módulo de magnitudes eléctricas.
Establecer y determinar los parámetros característicos de los transformadores de corriente mediante pruebas variando la corriente de medida por estos sensores de corriente.
DESCRIPCIÓN:
Es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy
32
baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados.
Los transformadores de potencial se comportan en forma similar a un transformador convencional de dos bobinas.
Por lo tanto el circuito equivalente referido al secundario es el siguiente.
Zeq2 = Impedancia equivalente, referida alsecundario.
ZL = Impedancia del instrumento (voltímetro, similar).
V2 = Tensión secundaria que deberá ser fiel reflejo de la primaria.
Y0 = 0
La ecuación de malla en el secundario es:
V1 / V2 = I L Z e q 2 +V2 IL = V2 /Z2
Por lo tanto
V1/V2 = (Zeq2/ZL + 1) * a
Se observa que la razón de transformación V1/V2 difiere de a en el coeficiente:
(Zeq2 / ZL + 1)