Protección de Transformadores PDF

 

PROTECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA Prote rotección cción de transforma transformadore doress

Dr. Ernesto Vázquez Martínez © UANL

 

Falla llass en tra transforma nsformadore doress (1)



Fallllas Fa as ex exte tern rnas as:: 

Sobrecargas,



Sobreexcitación,



Cortoc Cor tocirc ircuit uitos os ext extern ernos. os.

 

llass en tra transforma nsformadore doress (2) Falla 

Fallllas Fa as in inte tern rnas as:: 



Incipientes: 

Sobrecalentamiento,



Sobreflujo,



Sobrepresión,

Severas 

Cort Co rtoc ocir ircu cuit itos os en los de deva vana nado dos, s,

 

Cortoc Cort ocir ircu cuit itos os en entr tre e fa fase ses s (t (tri rifá fási sico cos) s),, Cort Co rtoc ocir ircu cuit itos os en entr tre e es espi pira ras, s,



Fallas Fal las en el núc núcleo leo,,



Fallas Fall as en el ta tanq nque ue pr prin inci cipa pal, l, Fall Fa llas as en lo los s bu bush shin ings gs..



 

Particula rticularida ridade dess de la prote protección cción dife difere rencia nciall de transformadores transforma dores (>10 MVA) MVA) 









Difere Dife renc ncia ias s de fas fase en entr tre e la las s cor orri rien ente tes s pr prim imar aria ia y secund secundari aria a en un trans transfor formad mador or est estrel rellala-del delta. ta. Se ti tien enen en di dist stin into tos s ni nive vele les s de vo volt ltaj aje, e, lo qu que e impl im plic ica a ut utililiz izar ar TC di dist stin into tos, s, Puede no ha Pue habe berr co con nco cord rdan anci cia a en entr tre e la las s rela re laci cion ones es de tr tran ansf sfor orma maci ción ón de lo los s TC y del del transformador, La relaci relación ón de trans transfor formac mación ión del tran transfo sforma rmador  dor  puede pue de ser var variab iable, le, La co corr rrie ient nte e de ma magn gnet etiz izac ació ión n pu pued ede e te tene ner  r  valo va lore res s tr tran ansi sito tori riam amen ente te mu muy y al alto tos, s, que que pu pued eden en interp inte rpre reta tars rse e er erró róne neam amen ente te co como mo un una a co cond ndic ició ión n de fal falla la in inte tern rna. a.

 

orriente ntess en un transform transformaador con cone conexión xión de delta lta-Corrie estrella ate terriza rrizada da

 

Prote rotección cción dife difere rencia nciall de un tra transform nsformaador con conexión cone xión de delta lta--estre strella lla ate terriz rrizaada

 

rotección cción dor difere dife rencia ncial Prote tra transforma nsformador de tressl de un tre devanados

 

Reducci ducción ón de ele leme mentos ntos de re rete tención nción en la protección prote cción de un transform transformaador de tre tress de deva vana nados dos 

Los Lo s circ circui uito tos s co cone nect ctad ados os al dev devan anad ado o te terc rcia iari rio o se co cons nsid ider eran an de dent ntro ro de la zo zona na de pr prot otec ecci ción ón del transformador,



La im impe peda danc ncia ia de dell de deva vana nado do te terc rcia iari rio o es mu muy y alta al ta lo qu que e re redu duc ce la las s co corr rrie ient ntes es de cort co rtoc ocir ircu cuit ito o pa para ra fa fall llas as ex exte tern rnas as,,



Cuan Cu ando do lo los s ci circ rcui uito tos s in invo volu lucr crad ados os no es está tán n cone co nect ctad adas as a fuent fuentes es de gene genera raci ción ón..

 

Pde rotección rote cción difere ncial de un tra nsforma aldor tress tre deva vana nados, dos,dife conrencia un relleva rele vador dortransform difere dife rencia ncial condedos ele leme mentos ntos de rete retención nción

 

Bloques ge gene nera rador-tra dor-transform nsformaador  ≈ 1% en hidroeléctricas, ≈ 10% en termoeléctricas.

 

tilizaación de una tra trampa mpa de corrie corriente nte de se secue cuencia ncia Utiliz cero

 

Ba Banc ncos os tr trififáási sico coss fo form rmaado doss po porr tr trees transforma tra nsformadore doress monofá monofásicos sicos

 

rotección cción dife difere rencia nciall de se secue cuencia ncia ce cero ro de un un Prote transformador 

 

Prot roteecci cción ón difere di ferenci nciaal de tierra (con (con re r estr stricc icción ión)) I A 

IB

IC IG

 

roteecci cción ón diferencial d iferencial de tierra: tierra: falla interna Prot I A 

IB

Residual current calculated from individual phase currents. Paralleled CTs sh CTs show own n to illustrate principle.

90

IC IG

I

G

3

IG

I0

180

0

-3IO

270

 

Prot roteecci cción ón dif difeerencial de tierra: falla externa externa I A 

IB

Residual current calculated from individual phase currents. Paralleled CTs sho shown wn to to illustrate principle.

90

IC

IG

IG

-3IO

3I0

180

0

270

IG

 

lecci cción ón de los pa pará ráme metro tross de ajus juste te de los Sele rele re leva vadore doress dife difere rencia nciale less de tra transforma nsformadore doress (1) N :N 1:n1

i1p

1

2

i2p

i1s

1:n2 i2s

N1i1p = N2i2p N1n1i1s = N2n2i2s

(i1s – i2s)

R

N1n1 = N2n2   → i1s = i2s id = i1s - i2s

 

Sre eleva lecci le cción ón de losrencia pará pa ráme metro densformadore ajus juste te de loss (2) rele vadore dores s dife difere nciale lesstros des tra transforma dores Cálc Cá lcul ulo o po porr se sepa para rado do de ca cada da co comp mpon onen ente te de er erro rorr Id max



Erro Er rorr de de los los TC 



Ke

Fallta de co Fa conc ncor orda danc ncia ia ent ntre re la las s co corr rriien ente tes s de dell rele re leva vado dorr y de dell se secu cund ndar ario io de los TC



K fc =

I1 − D1 I2 D2 M

(100)

 

eleva lecci le cción ón de losrencia pará pa ráme metro densformadore ajus juste te de loss (3) Sre rele vadore dores s dife difere nciale lesstros des tra transforma dores Cálc Cá lcul ulo o po porr se sepa para rado do de ca cada da co comp mpon onen ente te de er erro rorr Id max



Variac Var iación ión de la la relac relación ión de tra transf nsform ormaci ación ón 



Kr = R

Corrie Cor riente nte de magne magnetiz tizaci ación ón del tran transfo sforma rmador  dor  

No se co cons nsid ider era a en el aj ajus uste te,, por por lo qu que e se debe tomar medidas para que la pr protección sea inmune.

 

Sele lecci cción ón de los pa pará ráme metro tross de ajus juste te de los rele re leva vadore doress dife difere rencia nciale less de tra transforma nsformadore doress (4) 

Pendie Pen diente nte del rele relevad vador  or  

Kmin = Ke + Kfc + Kr 

IOP

IRET

 

Ejemplo

 

Efe fecto cto de la corrie corriente nte de ma magne gnetiz tizaación sobre la protección prote cción dife difere rencia nciall 300

i1p 250

200

150

100

50

0

-50 0

1

2

3

4

5

6

7

t

 

Fact ctor orees qu quee de dete termi rmina nann la ma magn gnitu itudd y du dura raci ción ón de la corriente corriente de ma magne gnetiza tización ción 







Instante de inicio del proceso, Capacidad del transformador, Capacidad del sistema, Relaciones L/R del transformador y del sistema,



Tipo de hierro del transformador, 

Nivel de flujo magnético residual del transformador,



Condiciones en que se realiza el proceso de energización.

 

Tre ress ca caso soss títípi pico coss de op opeera raci ción ón inc incorr orreecta de la protección prote cción dife difere rencia nciall de tra transforma nsformadore doress 

Conexión inicial del transformador,



Transi Tra nsitor torio io de rec recupe uperac ración ión pos poster terior ior a una una reducción transito reducción transitoria ria de voltaje voltaje de alimentaci alimentación ón del transformador 



Conexión inicial de un transformador en paralelo paral elo con otro que ya ya está en servicio. servicio.

 

Av Avaalanch lanchaa de corriente corr iente de magnetiza magnetizaci ción ón debida d ebida a la conexión inicial de un transformador transformador (1)

 

Av Avaalanch lanchaa de corriente corr iente de magnetiza magnetizaci ción ón debida d ebida a la conexión inicial de un transformador transformador (2) φ = 1 e dt = − 1 Emcos(ωt + θ ) + φc N ωN

∫

Evaluando φ para t c

0

φ = −φmcos(ωo+ θ) + φmcosθ

Si θ = 0° φ = φm (1− cos ωt)

Similarmen te : i = 1 e dt = − 1 cos ωt L ωL

∫

 

Av Avaalanch lanchaa de corriente corr iente de magnetiza magnetizaci ción ón debida d ebida a la conexión inicial de un transformador transformador (3)

Estrella

Delta

 

Forma de onda títípica pica

2nd and 4th Harmonics During Inrush

 

vento nto de sobre sobreeexcita xcitación ción en un transforma transformador  dor  Eve

High 5th Harmonic Currents

 

Reducció ducciónn tra transitori nsitoriaa de dell volta voltaje je



El caso más crítico es el de una falla externa trifásica limpia cercana al transformador, que reduce el voltaje prácticamente a cero; cuando se elimina la falla el voltaje recupera su valor normal, y tiene lugar una avalancha de corriente de magnetización

 

Ava lancha lanch a deunco corr rriente iente de magnetiza magnetizaci ción ón resul tante Av de acone conectar ctar transformador en para en parale lelo lo resultante con otro otr o que ya está en servicio servicio

 

Rele leva vadore doress dife difere rencia nciale less pa para ra prote protección cción de transformadores 

Introducción de un retardo de tiempo fijo en el relevador,



Utilización de relevadores diferenciales de inducción electromagnética,



Desensibilización o inhibición de la operación del relevador durante el proceso transitorio en el transformador,



Utilización de los armónicos de la corriente diferencial como base para la retención o la inhibición en el relevador,



Reconocimiento de la forma de onda de la corriente diferencial.

 

levador dor dif difeerencial con re r etención por armó rmónic nicos os Releva

 

Recon conocim ocimiento iento de d e la forma de onda de la corrie corri ente diferencial Detección de la presencia de intervalos sin corriente en un relevador diferencial

 

R econ conocim ocimiento iento de d e la forma de onda de la corrie corri ente diferencial Bloq Bl oque ueoo po porr co corr rrie ient ntee di dire rect ctaa

S+ Min Max Differential Current

S-

DCR  _  + 0.1

DCBL1

 

Prote rotección cción por de dete tección cción de ga gass o de incre increme mento nto de pre presión sión (Prote rotección cción me mecá cánica nica))

 

rotección cción por de dete tección cción de ga gass o de incre increme mento nto Prote de pre presión sión (Prote rotección cción me mecá cánica nica))

 

Cone onexión xión de un transformador transformador sin interruptor por el lado la do de alto volta volt aje (1)

 

C onexión one xión un atransformador transforma dor sin interruptor por el lado la do de altodevolta volt je (2)  Alternativas de protección



Fusi Fu sibl bles es en el la lado do pr prim imar ario io,,



Protec Pro teccio ciones nes de la líne línea, a, con con prob problem lemas as de sens se nsib ibil ilid idad ad pa para ra de dete tect ctar ar fa fall llas as in inci cipi pien ente tes, s,



Prot Pr otec ecci ción ón di dife fere renc ncia ial, l, que que op oper ere e lo los s inte in terr rrup upto tore res s de lín línea ea po porr di disp spar aro o tr tran ansf sfer erid ido: o: 

Descon Des conect ectivo ivo mon monopo opolar lar,,



Descon Des conect ectivo ivo tri trifás fásico ico,,



Canales de comunicación.

 

Prote rotección cción de sobre sobrecorrie corriente nte de tra transforma nsformadore doress (1) 

Real Re aliz izan an fu func ncio ione nes s de pr prot otec ecci ción ón pr prim imar aria ia al resp re spal alda darr la pr prot otec ecci ción ón di dife fere renc ncia iall (8 (87) 7) y de acumul acu mulaci ación ón de gases gases (63), (63),



Oper Op era a com como o re resp spal aldo do co cont ntra ra fa fallllas as ex exte tern rnas as,,



Prop Pr opor orci cion ona a un una a pr prot otec ecci ción ón li limi mita tada da co cont ntra ra sobrecargas,



Su car caract acterí erísti stica ca tie tiempo mpo-co -corri rrient ente e deb debe e coor co ordi dina nars rse e co con n la la cur curva va de da daño ño de dell transformador.

 

P(2)rote rotección cción de sobre sobrecorrie corriente nte de tra transforma nsformadore doress Curvas Curv as de daño de tra transf nsform ormador adores es



IEEE C57.12.00-2000,



Cons Co nsid ider era a el dañ daño o té térm rmic ico o y mecá mecáni nico co,, acumul acu mulati ativo, vo, por la ocu ocurre rrenci ncia a de fal fallas las,,



Curv Cu rva a de ba baja ja in inci cide denc ncia ia de fa fall llas as,, par para a me meno nos s de 5 fa fall llas as en el ti tiem empo po de vi vida da de dell tran tr ansf sfor orma mado dorr (a (alilime ment ntac ació ión n po porr ca cabl bles es), ),



Curv Cu rva a de al alta ta in inci cide denc ncia ia de fa fall llas as,, má más s de 5 fallllas fa as en el ti tiem empo po de vi vida da de dell tra trans nsfo form rmad ador  or  (ali (a lime ment ntac ació ión n po porr lí líne neas as aé aére reas as). ).

 

P(3)rote rotección cción de sobre sobrecorrie corriente nte de tra transforma nsformadore doress Curvas Curv as de daño de tra transf nsform ormador adores es

Categoría

Transformador  Transformador  monofásico (kVA)

trifásico (kVA)

I

5 – 500

15 – 500

II III

501 – 1667 1668 16 68 – 10 10,0 ,000 00,,

501 – 5000 5001 50 01 – 30 30,0 ,000 00

IV

> 10,000

> 30,000

 

Prote rotección cción de sobrecorrie sobre corriente nte de transforma tra nsformadore doress (4) Curv Cu rvas as de da daño ño de transformador transf ormadores, es, Tipo III

 

Prote rotección cción de sobrecorrie sobre corriente nte de transforma tra nsformadore doress (5) Curv Cu rvas as de da daño ño de transformador transf ormadores, es, Tipo IV

 

onass de falla fallass fre frecue cuente ntess Zona

 

fusib siblle lless de debi bido do a un unaa fa fallllaa Daño de fu

a

 A 0.58 PU

B

b 0.58 PU

c

C 1.0 PU

n 1.0 PU

 

ANSI / IEE IEEEC EC37 37.9 .91: 1: “ Guid Guidee for Prot Protecti ective ve Relay Relay Applications for Powe owerr Tra ransform nsformeers” 87 T

Hi g h Si d e

L o w Si d e

50

51Q

51

51 G

 

rotección cción contra sobre sobreca carga rga en transforma transformadore doress Prote 

Modelo térmico (IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers, IEEE Std. C57.91-1995),



Se es esti tima ma la te temp mper erat atur ura a en la su supe perf rfic icie ie de dell acei ac eite te y la la tem tempe pera ratu tura ra de dell pun punto to má más s ca cali lien ente te dentro den tro del transf transform ormado ador, r,



Es po pos sib ible le ev eval alua uarr la pé pérd rdid ida a de vi vida da úti till de dell aislamiento aislam iento del trans transforma formador. dor.

 

cele lera ración ción de dell dete deterior rioroo de dell aislamie aislamiento nto Factor de ace

F

=e

⎛  ⎜ 15,000 − 15,000  ⎞⎟ ⎜ 383 θ + 273 ⎟ ⎝   ⎠ H

 AA 

One hour at a winding hottest-spot temp of 120°C ages the insulation equivalent of 2.7 hours at 110°C.



One hour at a winding hottest-spot temp of 100°C ages the insulation equivalent of 0.35 hour at 110°C.

 

Ejemplo 



 Assume that the Transformer Transformer Operates with a Hottest-Spot Temp of 120°C for One Day The 24-Hr % LOL=

2.7 ⋅ 24 ⋅ 100 180,000 



= 0.036 % per day

Constant 24-Hr LOL of 0.036% Expected Insulation Life =

180,000 2.7 = 66,667 Hr, or 7.6 years

 

rotección cción de tra transform nsformaadore doress de pue puesta sta a tie tierra rra Prote

 

rotección cción de tra transforma nsformadore doress de re regula gulación ción Prote 

Esto Es tos s tr tran ansf sfor orma mado dore res s so son n uti utili liza zado dos s pa para ra el contro con troll de flujo flujo de potenc potencia, ia,



Debi De bido do al de defa fasa sami mien ento to an angu gula larr es di difí fíci cill aplilica ap carr re rele leva vado dore res s de porce porcent ntaj aje e di dife fere renc ncia ial, l, por su bajo nivel de sen sensibilidad,



Los Lo s es esqu quem emas as de pr prot otec ecci ción ón se ba basa san n po porr lo genera gen erall en rel releva evador dores es de dete detecci cción ón de gase gases s o de increment incremento o de presión, presión, complem complementado entados s con rel releva evador dores es de sob sobrec recorr orrien iente te com como o respaldo.

 

sumenn de prote proteccione ccioness de tra transforma nsformadore doress Resume 

87,



63,



50/51



51NT



51G,



49,



71.

 

PROTECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA Prote rotección cción de transforma transformadore doress

Dr. Ernesto Vázquez Martínez © UANL