Universidad de Carabobo. Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Padilla, M. Sistemas de distribución.
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Conmutador “Tap” en transformadores de potencia. Padilla, M. Sistemas de Distribución. Departamento de Potencia. Escuela de Ingeniería Eléctrica. Universidad de Carabobo. Valencia. Estado Carabobo. Venezuela. e-mail:
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Resumen— Se presenta una breve descripción del conmutador “tap” del transformador de potencia, con lo cual se desea una mayor comprensión del uso y funcionamiento del mismo. I.
DESARROLLO
CONMUTADOR “TAP” Un tap es un selector mecánico que le sobrepone al arrollado primario puntos de conexión a lo largo del mismo, que permiten seleccionar un cierto número de espiras, de forma tal que se genere una relación de transformación variable, que permita la regulación del voltaje de salida. Usualmente son desarrollados en el lado de alto voltaje (implica baja corriente) con el objetivo de minimizar los requerimientos en los contactos. Un cambiador de tap´s estándar ofrece entre ± 7 a ± 17 pasos. Los transformadores poseen dos tipos de taps, los fijos y los intercambiadores de taps bajo carga o LTC’s, que es donde se enfoca la presente investigación. Cuando el control se realiza por medio de los taps fijos se hace necesaria la salida de operación de la unidad de transformación, lo que conlleva múltiples problemas, como la discontinuidad del servicio de energía para grandes centros de consumo (ya que este control se realiza a nivel de las S/E de transmisión y sub-transmisión), perdida de protecciones de respaldo del sistema, incluso podría causar un colapso del sistema si no se realiza adecuadamente. El control por LTC’s se realiza sin desconexión del transformador de potencia, por lo que tiene una gran ventaja sobre el primero, pero tiene un gran peligro, ya que si este control es automático puede ocasionar un colapso de voltaje.
CONMUTADOR BAJO CARGA (LTC) El LTC es un Dispositivo interruptor selector mecánico (ver figura 1) que tiene como función cambiar los taps del transformador sin interrumpir la corriente de carga. La banda de regulación debe ser de ±10% sobre la tensión nominal, las derivaciones deben estar sobre el devanado de alta tensión, en el caso de auto transformadores las derivaciones se deben tomar del devanado serie. El LTC se acciona por muelle de gran velocidad y dispone de resistencias de transición para limitar la corriente, además de disponer de un relé de protección. Por otro lado, está provisto de un accionamiento motorizado para control local y a distancia. Cabe destacar que es el dispositivo más caro y vulnerable en un transformador. COMPONENTES DE UN LTC Los componentes principales son (Ver figura 1): 1. Conmutador o ruptor: realiza la conmutación, es decir pasa de una toma a otra sin interrumpir el servicio, para ello utiliza unas resistencias transitorias que limitan la corriente cuando éste opera cortocircuitando dos tomas temporalmente durante el cambio. El conmutador está inmerso en un depósito de aceite el cual es independiente de la cuba del transformador. 2. Selector de tomas: Conduce la corriente de carga de la toma en servicio y selecciona la próxima toma. Puede contener un preselector o inversor el cual conecta el devanado principal con el devanado de
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regulación de forma aditiva o de forma sustractiva, permitiendo con ello duplicar las n posiciones.
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2. En carga nominal, la interrupción tiene lugar en el primer paso de corriente por cero después de la separación de contacto, lo que significa un tiempo de arco medio de aproximadamente 6 ms. El tiempo total de una secuencia completa es de aproximadamente 50 ms. El tiempo de operación del mecanismo de accionamiento a motor del cambiador de tomas es aproximadamente de 5 s por escalón.
3. Armario de accionamiento o mando, que contiene los elementos de mando y maniobra, motor eléctrico, reductores de velocidad, indicadores de posición y contador de maniobras. La actuación del cambiador de tomas puede ser Automático (SCADA-PANTAM), Manual (localdistancia) o Emergencia (manivela).
3. A continuación los siguientes gráficos muestran la secuencia de conmutación del paso de la posición 1 a la posición 2. 4. El contacto móvil H aparece representado como un solo contacto, aunque de hecho es doble y está formado por el contacto principal y el contacto de conmutación principal. 5. El contacto principal se abre antes que el contacto de conmutación principal y se cierra después que éste. –
Posición 1. El contacto principal H conduce la corriente de carga. Los contactos de paso M1 y M2 están abiertos y situados en los espacios entre los contactos fijos. (Ver figura 2)
Figura 1. Partes principales del LTC, selector y conmutador. Figura 2. Posición 1.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN 1. El contacto de conmutación principal del selector de carga se abre antes de que las resistencias de paso se conecten en el escalón de regulación.
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El contacto de paso M2 conecta con el contacto fijo 1 y el contacto de conmutación principal H se abre. La resistencia de paso y el contacto de paso M2 conducen la corriente de carga. (Ver figura 3).
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Figura 6. TIPOS DE CONMUTADOR
Figura 3. -
El contacto de paso M1 conecta con el contacto fijo 2. La corriente de carga está dividida entre los contactos de paso M1 y M2. La corriente circulante está limitada por las resistencias. (Ver figura 4).
Figura 4. -
El fabricante ABB ha desarrollado conmutadores desde 1910. Actualmente presenta tres modelos de conmutadores bajo carga: Tipo UB (in-tank) a 72.5 kV y 50 MVA Tipo UC (in-tank) a 1000 kV y 1000 MVA Tipo UZ (on-tank) a 145 kV y 80 MVA con motor-drive BUF3 Tipo UB El conmutador bajo carga de tipo UB va montado dentro de la cuba del transformador. Según las necesidades, se puede solicitar para montaje por la tapa o por la culata. Se entrega ya preparado para su instalación dentro de la cuba del transformador, lo que simplifica los procedimientos de instalación. (Ver figura 7).
El contacto de paso M2 se separa del contacto fijo 1. La resistencia de paso y el contacto de paso M1 conducen la corriente de carga. (Ver figura 5).
Figura 5. -
Posición 2. El contacto de conmutación principal H conecta con el contacto fijo 2. El contacto de paso M1 se separa del contacto fijo 2. El contacto principal H conduce la corriente de carga. (Ver figura 6).
Figura 7. Conmutador tipo UB.
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Tipo UC Suele estar montado dentro de la cuba del transformador, suspendido en la tapa del transformador. El arrastre para operar el cambiador de tomas viene desde el mecanismo de accionamiento a motor, que está montado en el exterior de la cuba del transformador, separado del cambiador de tomas. El accionamiento se transmite por medio de ejes y de engranajes cónicos. (Ver figura 8).
Figura 9. Conmutador tipo UZ. ACCESORIOS DE CONMUTADORES 1.
Figura 8. Conmutador tipo UC. Tipo UZ El equipamiento necesario para accionar el cambiador de tomas está en un único compartimiento, con el mecanismo de accionamiento motorizado fijado a la parte exterior. Los cambiadores de tipo UZ están diseñados para su montaje en el exterior de la cuba del transformador, lo que permite reducir las dimensiones globales de ésta y simplifica los procedimientos de instalación. (Ver figura 9).
Relé de sobrepresión.
Este relé está montado sobre la tapa del conmutador en una válvula de tres vías. Las otras dos salidas de la válvula presentan una brida de conexión en un lado y una conexión para los equipos de pruebas en el otro. En caso de sobrepresión en el conmutador, el relé da orden de desconexión total del transformador de poder. Luego, es necesario abrir (destapar) el Conmutador y revisar cuidadosamente con ayuda de la guía de reparación. Si se descubre algún desperfecto, habrá que corregirlo antes de ponerlo nuevamente en servicio. Cuando la presión contra el pistón sobrepasa la fuerza del resorte del pistón, el pistón se mueve y activa el elemento de conmutación. Tal es el caso del relé de protección RS2001 de la empresa MR (MaschinenFabrik Reinhausen), este se instala en la tubería entre el cabezal del cambiador de tomas bajo carga y el recipiente de
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expansión del aceite, siendo activado por el caudal de aceite que se dirija de la cámara del aceite del cambiador de toma en carga al recipiente de expansión del aceite. En caso de avería queda garantizada la desconexión inmediata del transformador por inserción del contacto del relé de protección en el circuito de corriente de activación de la desconexión del interruptor de potencia del transformador. (Ver figura 10).
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Figura 11. TAPMOTION ED. 3. Conservador de aceite El cambiador de tomas debe conectarse a un conservador de aceite independiente, situado preferiblemente a la misma altura que el conservador del transformador o justo debajo de éste. El OF 100 es un filtro de aceite de la empresa MR el cual dispone de dos modelos de la unidad de bombeo, una variante con filtro de papel para la limpieza del aceite de conmutación y otra variante con filtro combinado para la limpieza y secado del aceite de conmutación, dos variantes del control de la unidad de bombeo, control instalado en armario de mando independiente, control integrado en el accionamiento por motor ED. (Ver figura 12).
Figura 10. Relé de protección RS2001. 2. Mecanismo Accionamiento El mecanismo de accionamiento motorizado proporciona la fuerza motriz que necesita el cambiador de tomas. Como su nombre indica, la fuerza procede de un motor y se transmite por medio de una serie de engranajes y un eje de transmisión. Diversos elementos instalados en el mecanismo alargan los intervalos de mantenimiento y aumentan la fiabilidad del mecanismo. Un buen ejemplo de este es el TAPMOTION ED de la empresa MR, que sirve exclusivamente para accionar cambiadores de tomas en carga y conmutar transformadores reguladores, así como para accionar bobinas de núcleo móvil. (Ver figura 11).
Figura 12. Filtro de aceite OF 100. MANTENIMIENTO GENERAL Causa de las Fallas Las fallas del conmutador pueden ser eléctricas, mecánicas y térmicas. La mayoría de las fallas son mecánicas al principio y se convierte después en una falla eléctrica y ocurren principalmente debido a problemas en los contactos, resistencias de transición y roturas de aisladores. Diagnostico de las Fallas
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El LTC puede ser monitoreado en operación sin afectar su funcionamiento normal usando una combinación de emisión acústica y técnicas de vibración. La evaluación de las condiciones del conmutador cuando este no está siendo operado es realizada usando emisión acústica, mientras que la evaluación durante la operación es hecha mediante la técnica de vibración. 1. La evaluación por emisión acústica está basada en el hecho de que se espera una actividad no acústica dentro del compartimiento del conmutador si el tap no está siendo operado y si está en buena condición. 2. La técnica de vibración consiste en obtener la señal de una operación del conmutador de tap y hace la comparación de sus características (tiempo, amplitud, energía, etc) con otra señal obtenida en el futuro o con una unidad similar teniendo la misma operación. Criterios de Mantenimiento Los criterios se diferencian por el modelo y aplicación. Usualmente es recomendable realizar un mantenimiento después de que el conmutador haya realizado un número de operaciones de 80000. Se debe revisar cuidadosamente con ayuda de la guía de reparación, si se descubre algún desperfecto, habrá que corregirlo antes de ponerlo nuevamente en servicio. Procedimiento 1. Desmontaje y montaje del ruptor insertable. 2. Limpieza y revisión de los mecanismos. 3. Control visual de los tramos de aislamiento del ruptor insertable y del recipiente de aceite. 4. Determinación del desgaste de los contactos. 5. Medición de las resistencias de paso. 6. Cambio de piezas. 7. Cambio del aceite (Aceite nuevo con la rigidez dieléctrica > 50kV/2,5mm, según IEC 60156). 8. Revisión del accionamiento por motor, varillaje de mando y relé de protección.
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9. Control de funcionamiento del accionamiento por motor. Herramientas y mantenimiento
materiales
para
realizar
1. Material de inspección 2. Bomba de aceite para el cambio del mismo. 3. Recipientes vacíos. 4. Equipo de elevación (grúa o dispositivo de elevación). 5. Cubo, pincel, paños absorbentes que no se deshilachen. 6. Escalera, mesa de trabajo. 7. Lámina de plástico para recoger el aceite que gotee. 8. Aceite nuevo para el transformador. http://revistas.udistrital.edu.co/ojs/index.php/revi ng/article/view/2165/2890 http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/ 2010/01/analisis-de-un-conmutador-bajocarga.html https://groups.google.com/forum/#! topic/electrica/zH1UErZs9hI https://library.e.abb.com/public/c2574af92e8e7ce 2c12570280047323d/1ZSE%205492-104%20es %20Rev%207.pdf https://library.e.abb.com/public/564b8f49fd4cc1 4dc1257b130057ef62/1ZSE%205492-105%20es %20Rev%209.pdf https://library.e.abb.com/public/95e95a787cc7e5 8dc12570260041e4b1/1ZSE%205492-127%20es %20Rev%205.pdf
