Download Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
PRUEBAS DE TRANSFORMADORES
TRIFÁSICOS USANDO UN EQUIPO DE
PRUEBA PARA TRANSFORMADORES
MONOFÁSICOS
Por:
NATALIE ENRÍQUEZ SALAZAR
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Julio de 2009
PRUEBAS DE TRANSFORMADORES
TRIFÁSICOS USANDO UN EQUIPO DE
PRUEBA PARA TRANSFORMADORES
MONOFÁSICOS
Por:
NATALIE ENRÍQUEZ SALAZAR
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Roy Guzmán Ramírez
Profesor Guía
_________________________________
Ing. Luis F. Andrés Jácome
Profesor lector
_________________________________
Ing. Diana Valverde Bermúdez
Profesor lector
ii
DEDICATORIA
A Dios, porque en su grandeza infinita todo tiene su tiempo y lugar.
A mi padre, Adonay, que es fuente de inspiración, su voz y sus conocimientos están
presentes en mí; en la espera de un nuevo encuentro en el seno del Señor.
A mi madre, Elidieth, por ser la piedra angular que ilumina mi hogar, por su valor y
fortaleza, por tener siempre una palabra de aliento y la paciencia de escuchar.
A mi hermana, Maybell, porque entre dos es más fácil…
A toda mi familia que me apoya incondicionalmente.
iii
RECONOCIMIENTOS
A las personas que colaboraron con el desarrollo de este proyecto, al Ing. Roy Guzmán por
despertar mi interés en el tema, a los lectores, Ing. Luis Fernando Andrés, Ing. Diana
Valverde, al Ing. Néstor Rodríguez, por su tiempo y compromiso con el tema.
Al Ing. Porras, Ing. Retana, Ing. Méndez, Ing. Lobo, Ing. Vargas, Arq. Rodríguez;
especialmente a mis colaboradoras; Ing. Segura, Ing. Garro, Ing. Bonilla, Ing. Vega, Ing.
Rojas; por sus aportes académicos.
Al personal de la sección Construcción de Obras Eléctricas de CNFL; pero especialmente a
los técnicos del Laboratorio de Transformadores y al Ing. Mora por sus aportes al
desarrollo del proyecto.
iv
ÍNDICE GENERAL
NOMENCLATURA .......................................................................................xii RESUMEN .................................................................................................... xiii CAPÍTULO 1: Introducción ........................................................................... 1 1.1 1.2 1.3 Descripción de la Investigación ..............................................................................1 Justificación ............................................................................................................2 Objetivos .................................................................................................................3 1.3.1 Objetivo general .................................................................................................. 3 1.3.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 3 1.4 Metodología ............................................................................................................4 CAPÍTULO 2: Marco Teórico ........................................................................ 5 2.1 2.2 2.3 Generalidades Acerca de los Transformadores ......................................................5 Principio de Funcionamiento de los Transformadores ...........................................7 Pruebas para Transformadores..............................................................................10 2.3.1 Medición de Resistencia de los Devanados ...................................................... 11 2.3.2 Polaridad y Relación o Secuencia de Fase........................................................ 11 2.3.3 Relación de Transformación ............................................................................. 12 2.3.4 Corriente de Excitación y Pérdidas sin Carga .................................................. 13 2.3.5 Pérdidas con Carga e Impedancia ..................................................................... 14 2.3.6 Pruebas Dieléctricas .......................................................................................... 15 2.3.6.1 Respuesta al Impulso .................................................................................... 15 2.3.6.2 Prueba de Impulso de Descargas Atmosféricas ............................................ 16 2.3.6.3 Voltaje Aplicado ........................................................................................... 17 2.3.6.4 Voltaje Inducido ........................................................................................... 17 2.3.6.5 Medición de Descargas Parciales ................................................................. 18 2.3.6.6 Factor de Potencia del Aislamiento .............................................................. 19 2.3.6.7 Resistencia del Aislamiento .......................................................................... 21 2.3.7 Emisión de sonido audible ................................................................................ 22 2.3.8 Pruebas de Aceite (No contemplada en la Norma ANSI-IEEE C57.12.90) ..... 23 CAPÍTULO 3: Métodos para la realización de pruebas según la norma
ANSI/IEEE C57.12.90 .................................................................................... 24 3.1 Medición de Resistencia de los Devanados ..........................................................24 3.1.1 Puente Wheatstone ............................................................................................ 26 3.1.2 Puente Kelvin .................................................................................................... 27 3.1.3 Método de Voltímetro-Amperímetro ................................................................ 28 3.2 Relación de Transformación, Polaridad y Relación o Secuencia de Fase ............29 3.2.1 Relación de Transformación ............................................................................. 29 a) El método de voltímetros: ..................................................................................... 29 v
b) El método de comparación ................................................................................... 30 c) El método del puente: ........................................................................................... 31 a) 3.2.2 Polaridad ........................................................................................................... 31 El método de golpe inductivo: .............................................................................. 31 b) Método de Tensión Alterna .................................................................................. 32 c) Polaridad por comparación ................................................................................... 32 3.2.3 Relación o Secuencia de Fase ........................................................................... 33 3.3 Corriente de Excitación y Pérdidas Sin Carga ......................................................35 3.3.1 Pérdidas en Vacio o sin Carga .......................................................................... 35 3.3.2 Corriente de Excitación .................................................................................... 36 3.4 Pérdidas con Carga e Impedancia .........................................................................37 3.4.1 Pérdidas con Carga: Prueba de Transformadores Trifásicos con Voltaje
Monofásico ................................................................................................................... 37 3.4.1 Impedancia ........................................................................................................ 38 3.5 Pruebas Dieléctricas ..............................................................................................39 3.5.1 Voltaje Aplicado ............................................................................................... 39 3.5.2 Voltaje Inducido ............................................................................................... 41 3.5.3 Resistencia del Aislamiento .............................................................................. 43 CAPÍTULO 4: Equipo de pruebas para transformadores existente en el
Laboratorio de Transformadores de la CNFL ............................................ 45 4.1 Equipo para pruebas Hipotronics TTS-25 [13] .......................................................45 4.2 Analizador portátil de Aceite Megger Foster OTS 60PB [27]................................47 4.3 Medidor de Resistencia Eléctrica del Aislamiento:
Megaohmimetro
[23]
Fluke 1550B
...................................................................................................................49 4.4 Probador de Relación de Transformación PWR3A Schuetz Messtechnik
(TTR) [29] ..............................................................................................................................51 4.5 Probador de Aislamiento de Alto Voltaje Hipotronics 100HVT [11] ....................52 4.6 Otros Equipos .......................................................................................................53 CAPÍTULO 5: Análisis de Factibilidad del Equipo de Pruebas ............... 56 CAPÍTULO 6: Protocolo de pruebas para transformadores trifásicos
utilizando el equipo existente en el laboratorio. Guía de procedimiento de
prueba de transformadores trifásicos .......................................................... 60 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 Voltaje Aplicado ...................................................................................................60 Voltaje Nominal ....................................................................................................61 Relación de Transformación, Polaridad y Relación o Secuencia de Fase ............63 Corriente de Excitación y Pérdidas Sin Carga ......................................................65 Pérdidas con Carga e Impedancia .........................................................................67 Resistencia del Aislamiento ..................................................................................69 vi
6.7 Rigidez Dieléctrica del Aceite ..............................................................................71 CAPÍTULO 7: Conclusiones y Recomendaciones ...................................... 72 7.1 7.2 Conclusiones .........................................................................................................72 Recomendaciones .................................................................................................74 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 77 APÉNDICES ................................................................................................... 81 Especificaciones técnicas de transformador Rymel de 500 KVA[28] ............................ 84 Pruebas de rutina, diseño y otros para transformadores inmersos en aceite ................. 85 (Norma C57.12.00) ....................................................................................................... 85 ANEXOS ......................................................................................................... 88 Analizador de Transformadores Hipotronics TTS-25 ..........................................................89 Diagramas de conexión interna del Analizador de Transformadores Hipotronics TTS-25..91 Tablas y Formularios utilizados por CNFL ........................................................................100 vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2. 1. Transformador Ideal con Carga [22] ........................................... 7 Figura 2. 2. Izquierda: Polaridad Sustractiva de un devanado. ............... 12 Derecha: Polaridad Aditiva de un devanado [15].......................................... 12 Figura 3. 1. Disposición de los Valores de Resistencia para un Devanado
en Conexión Estrella. ..................................................................................... 25 Figura 3. 2 Disposición de los Valores de Resistencia para un Devanado
en Conexión Delta .......................................................................................... 25 Figura 3. 3 Circuito del Puente de Wheatstone[25] ...................................... 26 Figura 3. 4. Puente de Kelvin[25] .................................................................... 28 Figura 3. 5. Configuración Voltímetro Amperímetro [15] ........................... 28 Figura 3. 6. Método de Comparación [15] ..................................................... 30 Figura 3. 7. Método del Puente [15] ................................................................ 30 Figura 3. 8. Polaridad por Método de Tensión Alterna [15] ........................ 32 Figura 3. 9. Polaridad por Método de Comparación [15] ............................ 33 Figura 3. 10. Conexión para la prueba de Pérdidas sin carga de un
transformador monofásico (a) Sin transformadores de instrumentación
(b) Con transformadores de instrumentación [15] ........................................ 35 Figura 3. 11. Prueba de Pérdidas en Vacío, ................................................. 36 Para transformadores Trifásicos con alimentación Trifásica. [15] ............. 36 Figura 3. 12. Circuito Prueba de Pérdidas con Carga [15]........................... 37 Figura 3. 13 Prueba de Voltaje Aplicado sobre Devanado Primario........ 39 Figura 3. 14 Prueba de Voltaje Aplicado sobre Devanado Secundario .... 40 Figura 3. 15 Diagrama de Conexión de la prueba de Voltaje Inducido ... 42 Figura 4.1. Analizador de Transformadores Hipotronics TTS-25............ 46 Figura 4. 2. Equipo para pruebas de aceites OTS 60PB ............................ 47 viii
Figura 4. 3 Forma de los electrodos de prueba incluidos en el analizador
de aceites. [27] ................................................................................................... 48 Figura 4. 4 Diagrama de características del Megger Fluke 1550B [23] ...... 50 Figura 4. 5 Megóhmetro Fluke 1550B.......................................................... 50 Figura 4. 6 TTR PWR3A [29] ......................................................................... 51 Figura 4.7. Probador de Alto Voltaje (a) Gabinete de Control (b) Módulo
de Alto Voltaje ................................................................................................ 53 Figura 4. 8 Pinza Amperimétrica FLUKE[2] ............................................... 54 Figura 4. 9 Probador de Aislamiento UNILAP ........................................... 54 Figura 4. 10 Fuente de Corriente SUPERIOR ELECTRIC ...................... 55 Figura 4. 11 Amperímetro y Voltímetro analógico YOKOGAWA .......... 55 Figura 5. 1 Transformador Trifásico para alimentación de ensayos de
Transformadores [28]....................................................................................... 57 Figura 5. 2 Placa de Características de un Transformador de Corriente 58 Figura 5. 3 Detalle del cuarto de pruebas .................................................... 59 Figura 6. 1Prueba de Voltaje Nominal para Transformadores Yy y Yd . 62 Figura 6. 2 Conexión para la prueba de Pérdidas sin Carga..................... 66 Figura A. 1 Vista Interna del sistema de medición ..................................... 89 Figura A. 2 Vista interna del panel de control ............................................ 89 Figura A. 3 Sistema de regulación de voltaje .............................................. 90 Figura A. 4 Sistema de Alimentación ........................................................... 90 ix
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2. 1. Grupos de conexiones para transformadores trifásicos [24] ...... 6 Tabla 2. 2. Factores de Corrección de la Temperatura para la
Prueba del Factor de Potencia [15] ............................................................ 20 Tabla 3. 1Diagramas fasoriales con terminales del trasformador
indicadas [15] .................................................................................................... 34 Tabla 3. 2 Valores para la prueba de Voltaje Aplicado [7] ......................... 41 Tabla 3. 3. Intervalo de Prueba de voltaje Inducido según la Frecuencia [7]
.......................................................................................................................... 42 Tabla 3. 4. Voltajes en el Devanado Secundario para la Prueba de Voltaje
Inducido [7]....................................................................................................... 43 Tabla 3. 5. Resistencia de aislamiento para transformadores inmersos en
aceite a 20ºC [10]............................................................................................... 44 Tabla 4. 1Características del Analizador de Transformadores Hipotronics
TTS-25 ............................................................................................................. 47 Tabla 4. 2. Especificaciones de pruebas con el analizador de Aceites. [27] 49 Tabla 6. 1 Prueba de Voltaje Aplicado ........................................................ 61 Tabla 6. 2Prueba de Voltaje Nominal .......................................................... 63 Tabla 6. 3. Disposición de las conexiones del medidor de Relación de
Transformación .............................................................................................. 64 Tabla 6. 4. Prueba de Relación de transformación ..................................... 64 Tabla 6. 5. Disposición de las terminales para la prueba de Pérdidas sin
Carga ............................................................................................................... 65 Tabla 6. 7 Prueba de Resistencia de Aislamiento........................................ 70 Tabla A. 1 Formulario para Pruebas de Transformadores Trifásicos ... 101 Tabla A. 2 Formulario para Pruebas de Transformadores Monofásicos
........................................................................................................................ 102 x
Tabla A. 3 Relación de Transformación Utilizada por el Laboratorio
CNFL ............................................................................................................. 103 Tabla A. 4 Calibre del Conductor para prueba de Pérdidas con Carga 104 Tabla A. 5 Valores Admisibles de pérdidas de potencia en
transformadores trifásicos [17] ..................................................................... 105 xi
NOMENCLATURA
ANSI
American National Standards Institute (Instituto Nacional de Estándares
Americanos)
ASTDM
American Society for Testing Materials (Sociedad Americana de Pruebas
de Materiales)
BIL
Basic Impulse Level (Nivel Básico de Impulso)
CT
Current Transformer (Transformador de Corriente)
CNFL
Compañía Nacional de Fuerza y Luz
FP
Factor de Potencia
Hz
Hertz
IEC
International Electrothecnical Commission (Comisión Electrotécnica
Internacional)
IEEE
Institute of Electrical and Electronic Engineers
KVA
Kilovoltiampérios
LCD
Liquid Cristal Display (Pantalla de Cristal Líquido)
LED
Light Emitter Diode (Diodo Emisor de Luz)
PI
Índice de Polarización
PU
Por Unidad
RAD
Índice de Absorción Dieléctrico
RMS
Root Mean Square (Raíz Media Cuadrática)
RV
Regulación de Voltajes
TP
Transformador Particular (Privado)
TTR
Transformer Turn Ratio (Relación de Transformación)
VT
Voltage Transformer (Transformador de Voltaje)
UNE
Unión de Normas Españolas
xii
RESUMEN
El presente informe muestra un estudio acerca de la factibilidad técnica de
desarrollar pruebas para transformadores trifásicos en el Laboratorio de Transformadores
de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz S.A, utilizando los equipos existentes hasta el
momento para pruebas monofásicas.
Durante el proceso de identificación del equipo, se dictaminó que algunos de ellos
por su naturaleza, fueron diseñados para operar tanto en transformadores trifásicos como
monofásicos, mientras que el resto se limitan a generar resultados únicamente en casos
monofásicos. Para que estos logren realizar ensayos trifásicos se requieren adaptaciones
especiales como transformadores trifásicos y transformadores de corriente.
Mediante la investigación bibliográfica y la consulta de la norma ANSI-IEEE 12.90
se llevó a cabo la formulación de una guía de procedimientos que se acopla tanto al equipo
discutido, como a las limitaciones del laboratorio. En esta guía se proponen
procedimientos, tablas a llenar así como los parámetros para que el transformador sea
considerado como apto o no apto para entrar en la red de distribución de la compañía.
A manera de conclusión, tanto el personal del laboratorio como los equipos
estudiados son aptos para iniciar el proceso de pruebas de transformadores trifásicos a pesar
de que las condiciones actuales de infraestructura son limitadas; por lo que a la luz de lo
analizado, es factible técnicamente iniciar estos ensayos.
xiii
CAPÍTULO 1: Introducción
1.1
Descripción de la Investigación
Este proyecto muestra un estudio de factibilidad técnica acerca del uso del equipo
de pruebas del Laboratorio de Transformadores de la Compañía Nacional de Fuerza y
Luz S.A en transformadores trifásicos; ya que actualmente los únicos transformadores
a los que se les realizan pruebas son los monofásicos.
Las siguientes son algunas pruebas a las que se someten los transformadores de
distribución y potencial de acuerdo con la norma ANSI/IEEE C57.12.90:
•
Relación de transformación.
•
Resistencia eléctrica del Aislamiento.
•
Pérdidas en vacio, corriente de excitación.
•
Pérdidas en cortocircuito, impedancia
Ya que el laboratorio cuenta con el instrumental necesario para realizar las pruebas
citadas, es necesario ejecutar una amplia investigación, que determine si es posible la
realización de un protocolo de pruebas, que permita a sus funcionarios utilizar este
equipo en transformadores trifásicos, de manera que sean representativas del estado
del transformador permitiendo certificarles y que no comprometan la seguridad del
usuario.
1
2
1.2
Justificación
El Laboratorio de Transformadores de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz S.A,
tiene entre sus quehaceres la aplicación de pruebas a transformadores monofásicos de
distribución, de tipo convencional, sumergible y de pedestal.
Sin embargo, al adicionar un transformador trifásico a la red, se da la problemática
de que no existe equipo específico ni un protocolo para hacerles pruebas, por lo tanto,
el transformador se incorpora al sistema con pocas pruebas que respalden su
funcionamiento y mediante las cuales se corrobore la información suministrada por el
fabricante, únicamente se cuenta con estos datos y se les realiza una inspección
visual para determinar el cumplimiento de las características físicas del equipo.
Actualmente el
sistema de distribución
de CNFL está formado por 32
subestaciones, 5,553 kilómetros de líneas en operación y 1351MVA de capacidad
instalada en transformadores de distribución, con una cobertura del 99% de la zona
servida [20].
De ahí la importancia de una investigación a detalle en el campo de los
transformadores, pues ellos son una parte fundamental de la red de la Compañía, y en
su conjunto, son el activo de mayor valor en la red de distribución.
Así mismo, de lograr determinarse que con el actual equipo de pruebas existente, es
posible realizar pruebas a equipo de transformación trifásico, el proyecto contribuye
a la reducción de costos por cuanto no se haría necesaria la adquisición de un equipo
específico para pruebas trifásicas y podría, adicionalmente,
desplegar nuevas
investigaciones, aplicadas al concepto de pruebas para transformadores trifásicos
3
1.3
1.3.1
Objetivos
Objetivo general
• Analizar la factibilidad técnica de realizar pruebas a transformadores trifásicos
usando el equipo para prueba de transformadores monofásicos.
1.3.2
Objetivos específicos
1.
Analizar la norma ANSI/IEEE C57.12.90 Standard Test Code for Liquid-
Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers.
2.
Identificar y caracterizar el equipo de pruebas para transformadores
existente en el Laboratorio de Transformadores de la CNFL.
3.
Determinar si el equipo disponible permite realizar las pruebas establecidas
en la norma ANSI C57.12.90 para transformadores trifásicos.
4.
En caso de ser positivo el resultado del objetivo 3., desarrollar un protocolo
de pruebas para transformadores trifásicos utilizando el equipo existente en el
laboratorio y una guía de procedimiento de prueba de transformadores trifásicos con
el equipo, que cumpla con la norma ANSI C57.12.90.
4
1.4
Metodología
El proyecto requiere el conocimiento del equipo actual de pruebas para
transformadores que se utiliza en el Laboratorio de Transformadores de la Compañía
Nacional de Fuerza y Luz S.A, por lo tanto, como primer paso se define la
observación y familiarización con el equipo, tanto de manera física como por medio
de la documentación técnica que se le adjunte, a saber; manual de usuario, manual de
montaje, etc.
Seguidamente se analiza la norma ANSI/IEEE C57.12.90, “Standard Test Code for
Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers” y sus
implicaciones en el equipo estudiado, caracterizando y evaluando las fortalezas y
debilidades del uso del equipo existente en transformadores trifásicos.
Posteriormente es necesaria la documentación bibliográfica de estudios similares,
en los cuales se registran pruebas y datos referentes al trabajo con transformadores de
potencial tanto monofásicos como trifásicos.
Por último se analiza la información resultante, de manera que se dictamine si es
factible técnicamente la realización de pruebas de transformadores trifásicos y se
formula un procedimiento a seguir para las respectivas pruebas, acorde con las
especificaciones dadas por la norma.
CAPÍTULO 2: Marco Teórico
2.1 Generalidades Acerca de los Transformadores
Los transformadores son máquinas estáticas de inducción, cuya función consiste en
transformar el voltaje de un nivel a otro, conservando la forma de onda y la
frecuencia, mediante la acción de un campo magnético. Por su composición, son
dispositivos de fabricación sencilla, conformados por dos o más circuitos eléctricos
acoplados por medio de un circuito magnético en común.
Los trasformadores se pueden clasificar según su propósito en transformadores de
Potencia; que pueden transportar grandes potencias con niveles de voltaje, corriente y
frecuencia fijos en el primario, estos son el eslabón entre las redes de alta tensión y
las de media. Los transformadores de Distribución, que trabajan con potencias
relativamente pequeñas, se utilizan para abastecer directamente las redes de
distribución de baja tensión. Ambos pueden aumentar o disminuir el voltaje,
dependiendo de su relación de transformación, por lo que pueden ser elevadores o
reductores. También es posible encontrar en la red transformadores para muestreo de
corriente o de voltaje y como acople de impedancias.
De acuerdo al tipo de conexión, se clasifican en monofásicos y trifásicos. En estos
últimos se pueden presentar 12 grupos de conexión; ya que los arrollamientos pueden
estar conectados en estrella (Υ), delta (Δ) o zigzag (Ζ). De estas 12 conexiones
normalizadas, las más comunes son la Yy0, Yd5, Dy5, Yz5. Estas se muestran en la
tabla 2.1.
5
6
Tabla 2. 1. Grupos de conexiones para transformadores trifásicos [24]
7
2.2 Principio de Funcionamiento de los Transformadores
La figura 2.1 muestra un transformador ideal
[22]
, sin pérdidas, con acoplamiento
magnético perfecto entre ambos bobinados. La relación entre los voltajes, las
corrientes y el número de vueltas esta dado por la ecuación 2.1:
(2.1)
Figura 2. 1. Transformador Ideal con Carga [22]
Por ser un transformador ideal, tanto la potencia de entrada como la de salida son
equivalentes en ambos bobinados y presentan el mismo factor de potencia. Se puede
expresar la potencia de salida de un transformador en términos de la potencia activa
P, la potencia reactiva Q y la potencia aparente S:
(2.2)
(2.3)
(2.4)
8
Sin embargo, es necesario considerar que al hablar de un transformador real, se
deben tomar en cuenta las pérdidas debidas a las características de los núcleos
ferromagnéticos, como lo son la saturación, histéresis y corrientes parásitas.
Hidalgo [10] denota como aspectos más importantes a considerarse en el modelado
de las pérdidas del transformador real los siguientes:
a) Pérdidas en el cobre: consecuencia directa del calentamiento de los devanados,
del tipo resistivo.
b) Pérdidas por histéresis y corrientes parásitas: estas se deben a la conductividad
de los materiales ferromagnéticos, que tienden a formar corrientes circulantes
en forma de remolino, así como la disipación de la energía en forma de calor.
Se representan como pérdidas óhmicas ya que son proporcionales al voltaje
aplicado.
c) Corriente de magnetización: es la corriente requerida para producir el flujo en
el núcleo, no es sinusoidal, debido a la saturación magnética que hace que
aparezcan componentes de alta frecuencia, se modela como una reactancia.
d) Flujos de dispersión: el flujo que atraviesa los bobinados primario y
secundario se divide típicamente en dos componentes, un flujo mutuo que
enlaza los dos devanados y un flujo disperso que atraviesa un solo devanado y
cierra su trayectoria por el aire. Este flujo se modela mediante inductancias.
9
Debido a que el modelado del transformador real implica impedancias, el voltaje de
salida varía con la carga incluso cuando el voltaje de entrada permanece constante. La
regulación de voltaje
[8]
es una cantidad que compara el voltaje de salida de un
transformador sin carga con el voltaje de salida a plena carga, definido por la relación
2.5.
,
,
100
,
(2.5)
Otro parámetro que varia con las pérdidas es la eficiencia [8], la cual se calcula como
la razón entre la potencia de salida y la potencia de entrada, tal y como se aprecia en
la ecuación 6.
é
100%
ú
100%
(2.6)
10
2.3 Pruebas para Transformadores
El estándar ANSI C57.12.80 demarca varios tipos de pruebas, de conformidad, de
rutina, de diseño y otras.
Pruebas de rutina: Realizadas para el control de calidad por el fabricante en
cada dispositivo, en muestras, en partes o en materiales, cuando se requiere verificar
que el producto cumple las especificaciones de diseño.
Pruebas de conformidad: Hechas específicamente para demostrar la
conformidad con determinada norma.
Pruebas de diseño: Realizadas para determinar la adecuación del diseño de
un tipo, estilo o modelo particular de un equipo o sus componentes a los rangos
asignados para operar satisfactoriamente bajo condiciones normales de servicio. Se
realizan a un lote y no se repiten a menos que el diseño sufra alguna modificación
representativa para el equipo.
Otras pruebas: Pruebas que las normas definen como adicionales a las
rutinarias.
La norma ANSI C57.12.90 especifica las pruebas que se le deben aplicar a los
transformadores de distribución y potencia, inmersos en líquido aislante, para
garantizar su correcto funcionamiento en la red. Estas pruebas son:
11
2.3.1
Medición de Resistencia de los Devanados
Por medio de esta prueba se logra obtener la resistencia para el cálculo de las
pérdidas en el cobre de los devanados, además, sirve como parámetro de juicio en la
determinación de posibles daños en las conexiones internas de los devanados.
Para la medición de la resistencia en frio se debe determinar de manera precisa la
temperatura del aislamiento líquido en el cual se encuentran las bobinas sumergidas,
para lo cual los devanados no deben ser sometidos a ningún campo o corriente por un
lapso de 3 a 8 horas antes de iniciar la prueba y la temperatura del líquido no puede
variar más de 5ºC desde la parte superior hasta la base del transformador. En caso de
que los devanados se encuentren fuera del aislamiento, en un medio seco, la medición
de la temperatura se debe hacer con varios termopares, entre arrollamientos, para que
no se suponga que la temperatura del arrollamiento es igual a la del aire que le rodea.
2.3.2
Polaridad y Relación o Secuencia de Fase
Esta prueba se aplica principalmente para la conexión de bancos de transformadores
en paralelo, ya que con ella se verifica la correcta relación de fases entre los
devanados. Permite identificar las terminales que tienen la misma polaridad y si el
diagrama vectorial que indica la placa de características es el correcto.
12
Figura 2. 2. Izquierda: Polaridad Sustractiva de un devanado.
Derecha: Polaridad Aditiva de un devanado [15]
2.3.3
Relación de Transformación
Es la relación entre el número de vueltas en el devanado de alta tensión con respecto
al número de vueltas en el devanado de baja tensión.
Esta prueba es útil para verificar que cada devanado posea el número correcto de
vueltas en las posiciones del cambiador de derivaciones (según la norma C57.12.00
la variación de los valores medidos con respecto a los datos de placa debe ser menor
al ±0.5% de tolerancia).
13
2.3.4
Corriente de Excitación y Pérdidas sin Carga
Son pérdidas incidentes sobre la excitación del transformador. Las pérdidas sin
carga incluyen pérdidas en el núcleo, dieléctrico y bobinado, debido a la corriente de
excitación y las pérdidas en el conductor debidas a corrientes circulantes entre
bobinados paralelos. Estás cambian con el voltaje de excitación.
La corriente de excitación es aquella que fluye por los bobinados para excitar el
transformador cuando las demás bobinas están abiertas. Generalmente están
expresadas en un porcentaje del rango de corriente en el que se prueban.
Las pérdidas sin carga consisten primordialmente de pérdidas en el núcleo, que
están en función de la magnitud de la frecuencia y de la forma de onda del voltaje
aplicado. También varían con la temperatura y son particularmente sensibles a las
diferencias en la forma de onda, por lo que la medición de estas pérdidas varía
marcadamente con la forma de la onda de voltaje de prueba.
Adicionalmente, muchos otros factores afectan las pérdidas sin carga. Las
relacionadas con factores de diseño incluyen el tipo y grosor del metal del núcleo, su
configuración, la geometría, las juntas y la densidad de flujo en el núcleo.
El propósito de la prueba de pérdidas sin carga es medir las pérdidas a un voltaje de
excitación específico y una frecuencia específica. La determinación de las pérdidas
debe basarse en un voltaje de onda sinodal a menos que alguna otra forma de onda
sea inherente a la operación del transformador.
14
2.3.5
Pérdidas con Carga e Impedancia
Son pérdidas concernientes a la carga del transformador. Incluyen las pérdidas I2R
de los devanados, debidas a la corriente de carga y las pérdidas por corrientes de
Eddy inducidas por fugas de flujo en los devanados, abrazaderas del núcleo, campos
magnéticos, paredes del tanque y otras partes conductoras. Las pérdidas con carga se
miden cortocircuitando ya sea el bobinado de baja o el de alta y aplicando un voltaje
a través del otro bobinado, suficiente como para generar un flujo de corriente a través
de los bobinados. La potencia que resulta de estas condiciones son las pérdidas a una
temperatura y corriente de carga específica.
La impedancia del transformador se define como el voltaje requerido para hacer
circular una corriente a través de uno o dos bobinados específicos cuando un tercero
esta cortocircuitado. Este valor se expresa en por unidad o en un valor porcentual del
voltaje nominal del devanado en el cual se ha medido. Este valor representa tanto la
componente resistiva como la reactiva. La componente resistiva corresponde a las
pérdidas bajo carga, en fase con la corriente, mientras que la componente reactiva
esta en cuadratura con la corriente y corresponde a las fugas de flujo disperso en los
devanados.
La prueba se puede ver afectada por una serie de factores que se encuentran
contemplados en la norma; como lo son la posición del cambiador de derivaciones,
condiciones de diseño como material y dimensión de los conductores, así como
estructura y diseño del bobinado. Además, las pérdidas son una función de la
15
temperatura, por lo que hay que cuidar los detalles durante el proceso de medición,
para tener resultados repetibles y aceptables.
2.3.6
Pruebas Dieléctricas
El propósito de estas pruebas es demostrar que el transformador ha sido diseñado
para cumplir con las especificaciones en cuanto a niveles de aislamiento estipulados
en la norma ANSI-IEEE C57.12.00.
En este apartado de la norma, se hace la distinción entre las pruebas que se aplican
durante el diseño de transformadores y las aplicadas de rutina. Para propósitos de esta
investigación se omiten las pruebas de fabricación. Sin embargo, no es recomendable
la aplicación de estas pruebas periódicamente, puesto que el aislamiento se ve
sometido a estrés, que puede causar un daño severo e irreparable.
2.3.6.1 Respuesta al Impulso
Consiste en aplicar un impulso de onda entre las líneas de alto voltaje y tierra con
un valor de cresta igual al especificado en los niveles de prueba. Este voltaje
corresponde a un transiente de entre 50-70% del nivel de prueba, seguido por dos
transientes de voltaje completo de polaridad positiva o negativa indistintamente.
La detección de la falla se da por medio de osciloscopios, que tomaran las formas
de onda del voltaje aplicado e inducido. Si alguna de estas capturas presenta formas
de onda no deseadas debidas a la influencia de la saturación magnética y la duración
del impulso, el transformador puede estar dañado.
16
2.3.6.2 Prueba de Impulso de Descargas Atmosféricas
Cuando esta se requiera como prueba de rutina, deberá consistir en la aplicación de
de una onda completa de magnitud reducida, dos ondas recortadas y una onda
completa; con un intervalo de aplicación mínimo entre ellas, para evitar la
recuperación de la rigidez dieléctrica antes del final de la onda completa. En casos
específicos que se requiera de frentes de onda, estos serán aplicados antes o después
de las ondas recortadas. En general, estos voltajes deben ser aplicados uno a la vez en
cada una de las terminales del transformador.
Para efectos de transformadores inmersos en aceite mineral, la polaridad de las
ondas es típicamente negativa, ya que esto reduce las pequeñas descargas producidas
en el circuito de prueba.
La identificación de las fallas presentes en el transformador al hacer la prueba se
aprecia no solo por medio de anomalías en las lecturas del osciloscopio, tanto de
corriente como de voltaje, sino también por la presencia de chispas en el entrehierro o
en cualquier parte externa, producción de ruidos inusuales y la medición de voltajes o
corrientes inducidos que no son los esperados.
17
2.3.6.3 Voltaje Aplicado
Esta prueba analiza la capacidad del aislamiento de soportar esfuerzos de tensión
entre devanado y devanado, o entre uno de los devanados y el núcleo o alguna de sus
partes estructurales, sometiendo al aislamiento a un esfuerzo dieléctrico.
Dependiendo de la clase de aislamiento, se selecciona un valor de voltaje a aplicar,
que será de un 60-70% del voltaje a aplicarse en un transformador nuevo; a la
frecuencia de operación nominal. El voltaje debe iniciar su aplicación en un cuarto
del valor de prueba y subir gradualmente hasta el valor deseado, con una permanencia
de no más de quince segundos y reducir gradualmente. Esta prueba no excita el
núcleo del transformador.
La condición de falla se puede identificar por humo o burbujeo del aceite, ruido o
un incremento repentino en la corriente de prueba. En este caso se debe recurrir a
otras pruebas y una inspección visual, que determine donde se encuentra la falla.
2.3.6.4 Voltaje Inducido
Con esta prueba es posible confirmar que la resistencia del aislamiento es la
apropiada para soportar los esfuerzos dieléctricos que se dan entre espiras y capas de
los devanados.
El transformador debe ser excitado exactamente como si estuviera en servicio; esto
es, transformadores monofásicos en fuentes monofásicas y transformadores trifásicos
con fuente trifásica. Típicamente el rango de tensión aplicado es del 60-80% de la
18
tensión establecida para transformadores nuevos, ya sea de manera trifásica o
monofásica.
Por otra parte, durante la prueba se incrementarán los voltios por espira efectivos en
el transformador, por lo que la frecuencia debe ser lo suficientemente alta como para
limitar la densidad de flujo magnético en el núcleo, para evitar que se sature. Está
condición está dada por la ecuación 2.7, que determina la mínima frecuencia
permitida.
,
(2.7)
2.3.6.5 Medición de Descargas Parciales
Las descargas parciales son aquellas que presentan alta frecuencia, pero no suelen
poner en cortocircuito a dos electrodos de polaridad opuesta. A largo plazo, estas
descargas dañan el aislamiento entre espiras, produciendo fisuras que cortocircuitan
los devanados. La resistencia a las descargas parciales es una cualidad inherente al
tipo de material con el que se fabrican los aislamientos.
Se pueden distinguir con esta prueba tres tipos de descargas, a saber, externas, que
se presentan en medios líquidos o gaseosos sobre una parte del aislamiento que no
está cubierto por el bobinado, internas, que se dan en las cavidades y aristas del
aislamiento, y el efecto corona,
19
2.3.6.6 Factor de Potencia del Aislamiento
El factor de potencia es la relación entre la potencia disipada en el aislamiento y el
producto del voltaje eficaz y la corriente durante la prueba cuando se aplica un voltaje
sinusoidal bajo condiciones conocidas. Debe realizarse a la frecuencia de operación
nominal y el voltaje aplicado no debe exceder los 10KV.
Con esta prueba se verifica el grado de humedad que contienen los materiales
aislantes.
Previo a la aplicación de la prueba, la sección 10.10.1 de la norma especifica que se
deben asegurar ciertos factores:
•
Todos los bobinados del transformador deben estar sumergidos en líquido
aislante.
•
Los devanados deben estar cortocircuitados y con todos lo aisladores en su
respectiva ubicación.
•
La temperatura del líquido aislante debe estar cercana a la temperatura de
referencia de 20ºC.
Para temperaturas distintas a la de referencia, se utilizan los factores de corrección
de la tabla 2.2 en la ecuación 2.8. La temperatura a considerar en este caso es el
promedio de las mediciones de temperatura en distintos puntos del líquido aislante.
20
Cuando la prueba se ha realizado a altas temperaturas y el factor de corrección es
muy alto, se recomienda dejar enfriar el transformador y repetir la prueba cuando el
valor este cerca de la referencia.
º
Tabla 2. 2. Factores de Corrección de la Temperatura para la Prueba del Factor de
Potencia [15]
(2.8)
21
2.3.6.7 Resistencia del Aislamiento
Determina si el transformador está en buenas condiciones y establece un parámetro
de comparación para futuras pruebas.
Este parámetro se mide en función de la temperatura, aun cuando los bobinados
estén calientes o fríos. La medición ideal se da a 20ºC, si no, se le aplica un factor de
corrección.
El método de medición de la resistencia del aislamiento es por medio del
megaohmímetro, que indica la medición directamente en Ω o MΩ.
Con variaciones a esta prueba, se han desarrollado índices
[9]
tales como el de
absorción dieléctrica, de polarización y el de voltaje por etapas, que permiten evaluar
la presencia de excesiva humedad o incluso avanzada degradación del aceite que
compromete a todo el aislamiento.
Índice de Absorción: Es la relación entre las medidas de resistencia de aislamiento
en mega ohmios a 60 s y a 30 s. Este valor debe ser mayor que la unidad para
registrar un buen aislamiento.
(2.9)
Índice de polarización: Es la relación entre las medidas de la resistencia del
aislamiento en mega ohmios (MΩ) a 10 minutos entre la medida a un minuto, su
valor debe estar siempre por encima de la unidad debido a que es proporcional al
tiempo.
22
(2.10)
Voltaje de paso: Este método prueba la resistencia del aislamiento a dos tensiones;
primero la más baja y luego otra 5 veces mayor, ambas en un intervalo de un minuto.
Un crecimiento del 25% del valor con respecto a la tensión más alta, usualmente se
debe a la presencia de excesiva humedad.
El valor de la resistencia mínima de aislamiento esta dado por:
√
(2.11)
2.3.7 Emisión de sonido audible
El sonido proveniente de los transformadores se origina principalmente en el núcleo
y se transmiten a través del líquido aislante y los apoyos estructurales hacia el
exterior. En algunas circunstancias, las bobinas pueden ser fuente de ruido bajo
condiciones de carga nominal, sin embargo este ruido no se contempla bajo esta
norma.
El espectro de frecuencias de sonido audible consiste primordialmente de
armónicas, por lo que en un sistema como el de Costa Rica que opera a 60 hz, el
sonido audible consta de tonos a 120, 240, 360 y 480 hz. También se considera como
sonido audible el emitido por circulación de líquido dieléctrico y el sistema mecánico
de refrigeración (ventilador).
23
La prueba de sonido se debe hacer con el instrumental requerido por la norma
ANSI-IEEE S1.4-1983; como lo es el medidor de banda de frecuencia de un tercio de
octava.
2.3.8
Pruebas de Aceite (No contemplada en la Norma ANSI-IEEE C57.12.90)
Los aceites para transformadores tienen la función de aislar y enfriar el núcleo y los
bobinados, su envejecimiento se debe a los efectos de la humedad, impurezas, aire,
sobrecalentamiento, sobrecarga, luz ultravioleta y radiaciones.
Se realizan dos tipos de pruebas de aceite:
•
Las de campo como lo son la de rigidez dieléctrica, factor de potencia y
resistividad
•
Las de laboratorio, como la tensión interfacial y cromatografía de gases.
La más utilizada de estas pruebas es la de rigidez dieléctrica, que es la capacidad del
aceite de soportar esfuerzos eléctricos sin fallo. Indica la presencia de impurezas
presentes, tales como agua, polvo y partículas conductoras
La prueba se realiza aplicando un voltaje denominado tensión de ruptura que de
acuerdo con la norma ASTM D1816 es de 20KV durante varios intervalos de prueba,
donde el aceite se agita y se deja reposar.
CAPÍTULO 3: Métodos para la realización de pruebas según la
norma ANSI/IEEE C57.12.90
3.1
Medición de Resistencia de los Devanados
De acuerdo con la norma, existen dos procedimientos para realizar esta medición,
los cuales son, el método de puente, en los casos donde la corriente que circula por
los devanados sea menor a un amperio, y el de voltímetro-amperímetro, para
corrientes nominales mayores a un amperio.
Ya que la norma no es concluyente en cuanto al procedimiento que se emplea, el
manual Vega-Bonilla
[6]
es una herramienta útil para comprender la realización de
dicha prueba.
En esta, se sugiere hacer mediciones entre fases, resultando las siguientes
combinaciones: H1 – H2, H1 – H3, H2 – H3 en el lado de alta y X1 – X2, X1 – X3,
X2 – X3 en el lado de baja. Ya que estas mediciones no arrojan el valor real de la
resistencia, es necesario emplear las siguientes ecuaciones, según se trate de un
bobinado en estrella o en delta:
Estrella:
R
R
R
R 3.1 R
R
R
R 3.2 R
R
R
R
(3.3)
24
25
Figgura 3. 1. Disposición de los
l Valores de
d Resistenciaa para un Deevanado en Conexión
C
Esttrella.
Delta:
3.4 3.5 3.6 F
Figura
3. 2 Diisposición dee los Valores de Resistenccia para un Devanado
D
en Conexión Delta
26
El método del puente se puede realizar con los siguientes circuitos [25]:
3.1.1
Puente Wheatstone
Consiste en un patrón de cuatro resistencias con un galvanómetro conectado a
través de una diagonal y una batería a través de la otra. Dos de las resistencias son de
valores conocidos y comprenden la rama A+B. Una tercera tiene un valor conocido
que se puede variar en incrementos pequeños sobre un rango amplio, es el reóstato R.
La cuarta es la resistencia que se está midiendo, X. Se considera balanceado el
puente cuando se ha ajustado el reóstato hasta que la corriente se divide de manera
que no existe caída de tensión a través del galvanómetro. La resistencia que se está
midiendo se puede calcular por medio de la ecuación 3.7
X
B
A
R Figura 3. 3 Circuito del Puente de Wheatstone[25]
3.7 27
3.1.2
Puente Kelvin
El Puente Kelvin se usa para mediciones de precisión por debajo del rango típico
del Puente Wheatstone. Se realiza un arreglo de seis resistencias, en medio de las
cuales se inserta un galvanómetro. Una corriente grande se pasa a través de la
resistencia desconocida y una resistencia conocida de bajo valor. El galvanómetro
compara la caída de tensión a través de estas dos resistencias con el circuito de
relación doble compuesto por las otras cuatro resistencias.
Para mediciones muy bajas, el Puente Kelvin presenta la ventaja de anular
resistencias de cables y contactos, debido a la doble relación de sus ramales. Los dos
pares de resistencias de relación están en paralelo entre sí y conectados a través del
galvanómetro. Un par (a/b) está en serie con la resistencia desconocida (X) y la
resistencia estándar de referencia (R). La última es una resistencia baja ajustable.
Cuando está balanceado el potencial a través de los dos circuitos paralelos, la
resistencia desconocida es equivalente al paralelo por el valor de referencia ajustado.
3.8 Las resistencias de cables y contactos están incluidas en el valor de los pares de
resistencias de relación y cualquier efecto puede anularse manteniendo la resistencia
extremadamente baja en medio de Y. Permite además las altas corrientes de prueba
usadas a menudo en los Puentes Kelvin sin provocar efectos indeseados de
calentamiento.
28
Figura 3. 4. Puente de Kelvin[25]
3.1.3
Método de Voltímetro-Amperímetro
Se emplea en transformadores cuya corriente nominal en los devanados es mayor a
un amperio. En este caso, es recomendable utilizar un voltímetro y amperímetro
digital, sensibles a las variaciones de temperatura.
La medición se realiza aplicando corriente continua, de manera que los datos
recopilados concuerdan con la ley de ohm. Se utiliza la configuración de la figura 3.4
en la cual se deben tomar al menos cuatro datos distintos, para sacar un promedio.
Figura 3. 5. Configuración Voltímetro Amperímetro [15]
29
3.2
Relación de Transformación, Polaridad y Relación o Secuencia de Fase
3.2.1 Relación de Transformación
El apartado 7.1.3 de la norma aclara, que cuando los bobinados de un transformador
trifásico son independientes y accesibles externamente, la prueba de relación de
transformación se realiza con alimentación monofásica.
Para transformadores con neutro inaccesible, la prueba se llevará a cabo
energizando simultáneamente las tres fases, ya que cualquier desigualdad en la
magnetización característica de las fases puede resultar en una diferencia de potencial
que afectará la medición.
Para esta prueba, existen tres métodos, por medio de un par de voltímetros, por
comparación con un transformador de relación conocida o por el método de puente.
a) El método de voltímetros:
Consiste en aplicar una fracción del voltaje nominal al devanado de alta tensión,
mientras se mide el voltaje generado en las terminales de baja tensión. Ambos
voltímetros (el de voltaje aplicado y el de voltaje generado) tomarán lecturas
simultáneas, y se intercambiarán entre grupos de mediciones, para evitar el error
instrumental.
Se debe hacer por lo menos cuatro pruebas con tensiones distintas, con incrementos
de un 10% y con diferencias más o menos del 1% en el promedio de relación de
transformación para garantizar valores correctos.
30
Figura 3. 6. Método de Comparación [15]
b) El método de comparación
Involucra un transformador de relación conocida, variable, conectado por medio de
voltímetros intercalados en paralelo con el transformador de prueba. Al aplicar un
voltaje de excitación, se ajusta el transformador conocido, hasta observar una
diferencia de potencial nula. La prueba se repite en cada bobina, para incluir cada
fase.
Figura 3. 7. Método del Puente [15]
31
c) El método del puente:
Tal y como se describe en el apartado 7.3.3 de la norma, se basa en la utilización de
un potenciómetro que actúa como divisor de tensión y un detector, con el que se
determina la relación R1/R que es equivalente a la relación de transformación del
transformador bajo prueba.
3.2.2 Polaridad
La norma contempla cuatro alternativas para probar la polaridad de transformadores
monofásicos, el método del golpe inductivo, tensión alterna, método comparativo y el
de puente, descrito anteriormente para relación de transformación.
Aunque los procedimientos descritos para transformadores monofásicos pueden ser
usados el caso de transformadores trifásicos, se debe tener el cuidado de observar una
polaridad relativa igual en cada fase, para dictaminar la polaridad real del conjunto.
a) El método de golpe inductivo:
La prueba requiere de un voltímetro de alta tensión, analógico con cero central, para
ser conectado en los devanados de alto y bajo voltaje, de manera que las deflexiones
de la aguja sean notorias.
Se aplica corriente directa sobre el bobinado de alta tensión sin exceder la corriente
nominal; de esta manera se obtendrá una pequeña deflexión en la aguja cuando el
voltímetro se conecta en el devanado de alta.
32
Al interrumpir la excitación de corriente directa, introduciendo el voltímetro en el
devanado de baja, de manera que la terminal que se conecto a H1 pase a X1 y H2 a
X2, se observará una deflexión proveniente de la descarga inductiva. Si esta deflexión
se da en la misma dirección que la observada en el devanado de alta, la polaridad es
aditiva, en caso contrario, la polaridad resultará sustractiva.
b) Método de Tensión Alterna
Para transformadores cuya relación de transformación es menor o igual a 30:1 se
cortocircuita una de las terminales de alta con su adyacente de baja tensión, tal como
se muestra en la figura 3.8. En este caso, se debe aplicar un voltaje adecuado, sobre
las terminales de alta tensión H1, H2.
Figura 3. 8. Polaridad por Método de Tensión Alterna [15]
Si la lectura del voltímetro que se coloca en las terminales adyacentes restantes es
mayor que la aplicada, se considera aditiva la polaridad, si este voltaje es menor, se
considerará sustractiva.
c) Polaridad por comparación
Cuando se dispone de un transformador de polaridad conocida, con la misma
relación de transformación que el transformador bajo prueba, se realiza la conexión de
33
la figura 3.6 y la de la figura 3.9, de manera que al aplicar una fracción del voltaje
nominal en las terminales de alta tensión, si el voltímetro conectado permanece en
cero (no hay deflexión), la polaridad de ambos transformadores es idéntica.
Figura 3. 9. Polaridad por Método de Comparación [15]
3.2.3 Relación o Secuencia de Fase
La comprobación del diagrama fasorial para los transformadores trifásicos, que
define el desplazamiento angular y la secuencia de fase, se realiza conectando las
terminales denominadas H1, X1 juntos para excitar las demás terminales con bajo
voltaje. De esta manera se realizan mediciones entre varios pares de terminales. La
tabla 3.1 es una guía de cómo se conectan las terminales del transformador,
dependiendo de si se encuentra en delta, estrella o zigzag, y las relaciones que deben
cumplirse para determinar si el transformador se encuentra en buen estado.
34
Tabla 3. 1Diagramas fasoriales con terminales del trasformador indicadas [15]
35
3.3
Corriente de Excitación y Pérdidas Sin Carga
3.3.1
Pérdidas en Vacio o sin Carga
En cuanto al cálculo de este tipo de pérdidas, la norma no es del todo concluyente,
pues aporta simplemente las figuras 3.10 y 3.11 como conexiones para experimentar
con transformadores monofásicos y trifásicos respectivamente.
(a)
(b)
Figura 3. 10. Conexión para la prueba de Pérdidas sin carga de un transformador monofásico
(a) Sin transformadores de instrumentación (b) Con transformadores de instrumentación [15]
En la prueba intervienen las mediciones de corriente RMS, Voltaje RMS y potencia;
por lo tanto se debe proporcionar tanto el voltaje nominal, como la frecuencia de
operación sobre las terminales que se están alimentando.
36
Figura 3. 11. Prueba de Pérdidas en Vacío,
Para transformadores Trifásicos con alimentación Trifásica. [15]
Durante la prueba, ya sea el devanado de alta o de baja puede ser energizado, pero
generalmente es más conveniente realizar la prueba usando el de bajo voltaje, en
cualquiera de los casos, todo el bobinado (no simplemente una porción) se debe
energizar cuando sea posible.
3.3.2
Corriente de Excitación
Es posible obtener la corriente de excitación simultáneamente con la prueba de
pérdidas descrita anteriormente; usando cualquiera de los métodos de las figuras. La
corriente RMS registrada se compara con la nominal, para obtener un valor de
porcentaje, o PU.
Para un transformador trifásico, la corriente de excitación se calcula tomando el
promedio de las magnitudes de las tres corrientes de línea.
37
3.4
Pérdidas con Carga e Impedancia
3.4.1 Pérdidas con Carga: Prueba de Transformadores Trifásicos con Voltaje
Monofásico
Para determinar las pérdidas con carga y el voltaje de impedancia de un
transformador trifásico, las tres terminales de un bobinado se cortocircuitan, mientras
un voltaje monofásico se aplica en las dos terminales del devanado restante. El
voltaje aplicado se ajusta para que circule una porción de la corriente nominal.
Figura 3. 12. Circuito Prueba de Pérdidas con Carga [15]
Durante la prueba se toman tres lecturas, en los tres pares de terminales, por ejemplo
H1 con H2, H2 con H3 y H3 con H1 y se introducen los valores obtenidos en las
ecuaciones 3.9 y 3.10.
Pérdidas M
1.5
P
P
P
3.9 38
V E
0.866
M
E
E
3.10 Donde
P representan las lecturas individuales medidas de las pérdidas según los subíndices.
E representa las lecturas individuales del voltaje medido según los subíndices.
La componente de las pérdidas se obtiene sustrayendo las pérdidas I2R de las
pérdidas con carga obtenidas en la medición realizada. El total de pérdidas I2R para
las tres fases están representadas por la ecuación 3.11
I R
1.5 I R
I R 3.11 Donde R1 es la resistencia medida entre dos terminales de alto voltaje y R2 la
resistencia entre dos terminales de baja tensión, mientras
I1, I2 representan las
corrientes de línea respectivas.
3.4.1
Impedancia
Para transformadores de tres devanados, ya sean monofásicos o trifásicos, se
realizan tres mediciones entre pares de bobinados,
Z
Z
Z
Z
3.12 Z
Z
Z
Z
Z
Z 3.13 Z
Z
Z
Z
Z
Z 3.14 39
Donde el valor de Z12, por ejemplo, es el resultado de medir la potencia, el voltaje y
la corriente al momento de la prueba que se ejemplifica en la figura 3.12 a la
temperatura de medición, por medio de la ley de Ohm.
3.5
Pruebas Dieléctricas
3.5.1
Voltaje Aplicado
Para esta prueba, se cortocircuitan los devanados secundarios y el tanque del
transformador; se aterrizan, mientras los devanados primarios se conectan de manera
que sean alimentados por una fuente monofásica, luego, las conexiones que se
realizaron en el secundario se pasan al primario, y la alimentación del sistema se
realiza por el devanado secundario.
Las figuras 3.13 y 3.14 muestran la disposición general de la prueba para un
transformador trifásico.
Figura 3. 13 Prueba de Voltaje Aplicado sobre Devanado Primario
40
Figura 3. 14 Prueba de Voltaje Aplicado sobre Devanado Secundario
Una vez realizada la conexión, se verifica el nivel de aislamiento, para definir la
tensión de prueba a aplicar sobre los devanados. Esta tensión es del 70% de la
designada por el fabricante, para transformadores reparados o con relativa
antigüedad.
El ensayo se realiza a 60 Hz, aplicando el voltaje seleccionado en la tabla 3.2; de la
siguiente manera:
•
Se inicia la alimentación con un cuarto del valor de prueba, y se eleva
gradualmente por un periodo no mayor a los 15 s.
•
Una vez alcanzado el valor del voltaje de prueba, se mantiene constante a lo
largo de un minuto.
41
•
Transcurrido este intervalo, si no se detecta algún fallo (humo, burbujeo del
aceite, ruido, alza inesperada en la corriente de prueba) se decremento el
voltaje en un intervalo no mayor a 5 s hasta volver a un cuarto del valor, y se
apaga la fuente.
Tabla 3. 2 Valores para la prueba de Voltaje Aplicado [7]
Voltaje
Primario
de Placa (V)
2400/4160
7620/13200
7967/13800
14400/24900
19920/34500
3.5.2
Voltaje
Nominal
(kV)
5
15
15
25
35
BIL
(kV)
60
95
95
125
150
Voltaje Prueba
de Fábrica
(kVRMS)
10
25
25
40
50
Voltaje Prueba
Transformadores
Reparados (kVRMS)
6.5
17
17
26
33
Voltaje Inducido
Para esta prueba, se alimentan los devanados secundarios, según el modelo de la
figura 3.15, el cambiador de derivaciones, debe encontrarse en la máxima posición
efectiva.
42
Figura 3. 15 Diagrama de Conexión de la prueba de Voltaje Inducido
Carvajal y Delgado
[7]
describen las tablas 3.3 y 3.4 como una guía de duración y
condiciones de voltaje para esta prueba, además, especifica que el transformador debe
tener los devanados del primario en circuito abierto, o puestos a tierra en el caso de
que alguna terminal se encuentre aterrizada de manera interna.
Tabla 3. 3. Intervalo de Prueba de voltaje Inducido según la Frecuencia [7]
Frecuencia (Hz)
120
180
240
360
400
Duración (s)
60
40
30
20
18
43
Tabla 3. 4. Voltajes en el Devanado Secundario para la Prueba de Voltaje Inducido [7]
Voltaje Nominal (V)
Voltaje de Prueba de
Fabrica (V)
120
240
208
416
240
480
277
554
480
960
* 70% del Doble del Valor Nominal
Voltaje de Prueba
Reparados* (V)
170
290
340
390
670
La prueba se inicia energizando el transformador en un porcentaje de al menos 25%
del valor nominal de prueba y se incrementa hasta llegar a este valor máximo en un
intervalo de 15s, el voltaje se mantiene por el tiempo especificado (tabla 3.3)
finalmente, se retorna al valor de 25% y se des energizan las terminales.
3.5.3
Resistencia del Aislamiento
La sección 10.11.2 recomienda el uso del Megaohmímetro como equipo necesario
para realizar esta prueba. Ya que el uso de este instrumento se discutirá en el capitulo
siguiente, se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones en torno a los
procedimientos:
a) Se deben involucrar las conexiones Primario contra Secundario,
Primario contra Masa, Secundario contra Masa.
b) Los incrementos de voltaje de prueba se deben realizar de 1kV a 5kV y
ser sostenidos por al menos un minuto durante la lectura de la corriente.
44
c) Si se presentan incrementos de corriente sin llegar a la estabilidad, la
prueba se puede interrumpir.
d) Entre pruebas, se recomienda aterrizar el transformador, ya que este
puede quedar cargado, y provocar posteriores lecturas erróneas.
Tabla 3. 5. Resistencia de aislamiento para transformadores inmersos en aceite a 20ºC [10]
Clase de
Aislamiento (kV)
1.2
2.5
8.7
15.0
25.0
34.5
46.0
69.0
Resistencia
(MΩ)
32
68
230
410
670
930
1240
1860
Clase de
Aislamiento (kV)
92
115
138
161
196
230
287
345
Resistencia
(MΩ)
2480
3100
3720
4350
5300
6200
7750
9300
CAPÍTULO 4: Equipo de pruebas para transformadores
existente en el Laboratorio de Transformadores de la CNFL
Para la realización de las pruebas, el laboratorio cuenta con una serie de
instrumentos:
4.1
Equipo para pruebas Hipotronics TTS-25 [13]
De acuerdo con el instructivo, este instrumento está diseñado para la prueba de
transformadores monofásicos de distribución según las especificaciones de la norma
ANSI C57.12.90.
Las pruebas que se pueden realizar usando este analizador de transformadores son:
•
Corriente de excitación
•
Pérdidas de excitación o sin carga
•
Corriente de plena carga
•
Voltaje de Impedancia
•
Pérdidas por impedancia o con carga
•
Eficiencia y porcentaje de impedancia
•
Relación de transformación y polaridad
La figura 4.1 muestra el panel principal del módulo de control de este equipo, la
fotografía de la izquierda, contiene los controladores de voltaje, relación de
transformación, selección de modo de prueba, cambiador de derivaciones,
45
46
temporizador, interruptor de paro de emergencia, así como accionamiento por medio
de llave y bloqueo de inicio. Adicionalmente, este posee una pantalla que despliega la
temperatura de prueba y un pedal de control para el bloqueo de emergencia. En la
fotografía izquierda, se encuentra el medidor digital, de la marca Yokogawa, WT110;
capaz de registrar valores de Corriente, Voltaje, Potencia, frecuencia y factor de
potencia.
Figura 4.1. Analizador de Transformadores Hipotronics TTS-25
Este elemento ha sido programado para escalar automáticamente voltajes desde 15
hasta 600 Vac en al menos 6 rangos cuando se seleccionan taps de 120 a 600 Vac.
Las mediciones van desde corriente directa hasta 100 Hz de frecuencia en corriente
alterna, con una máxima de corriente de 26A [13].
Posee tres terminales alimentadoras, roja y negra con entrada de datos
correspondientes y verde de aterrizamiento.
47
Tabla 4. 1Características del Analizador de Transformadores Hipotronics TTS-25
Entrada
Salida Carga / Pérdidas
Núcleo (Vac)
0-120
0-240
0-360
0-480
0-600
0-1000
Peso
4.2
240 VAC, 100 A, 1Ø, 60Hz
Modo Continuo
Modo Encendido 5 min
(A)
/Apagado 15 min (A)
104
208
52
104
35
69
26
52
21
42
13
25
2000 lb (910Kg)
Analizador portátil de Aceite Megger Foster OTS 60PB [27]
Este equipo, permite realizar pruebas totalmente automáticas en la determinación de
la rigidez dieléctrica de líquidos aislantes, tales como el aceite que se utiliza en
transformadores, interruptores y otros dispositivos eléctricos.
Figura 4. 2. Equipo para pruebas de aceites OTS 60PB
Su diseño es de operación sencilla, ya que para iniciar una secuencia de prueba el
usuario simplemente debe recolectar la muestra del aceite en un recipiente y colocarlo
en la cámara de ensayo. La tensión de prueba se controla electrónicamente hasta el
valor máximo de 60 kV.
48
Figura 4. 3 Forma de los electrodos de prueba incluidos en el analizador de aceites. [27]
Este instrumento realiza una serie de pruebas siguiendo las directrices de un gran
número de especificaciones sobre pruebas de aceites. Así, para ensayos bajo las
normas IEC, ASTM y UNE, basta con cambiar los electrodos de prueba y configurar
el menú en pantalla, para lograr diferentes tiempos, tensiones y repeticiones. En la
tabla 4.1 se observa un resumen de las especificaciones de cada normativa, así como
el electrodo correspondiente.
49
Tabla 4. 2. Especificaciones de pruebas con el analizador de Aceites. [27]
4.3
Medidor de Resistencia Eléctrica del Aislamiento:
Megaohmimetro
Fluke 1550B [23]
Este instrumento está caracterizado para una serie de pruebas entre las cuales se
incluyen la comprobación básica del aislamiento, la medición del índice de
polarización, la medición del índice de absorción dieléctrica y la medición de la
capacitancia.
En la figura 4.4 se observan las características externas del medidor; como lo son,
pantalla LCD y cubierta protectora; además, el instrumento posee tres terminales de
colores, designadas de la siguiente manera:
•
Rojo: Terminal Positivo
•
Negro: Terminal Negativo
•
Verde: Terminal Protector o de Guarda
50
Figura 4. 4 Diagrama de características del Megger Fluke 1550B [23]
El terminal protector se encuentra al mismo potencial que el terminal negativo; se
utiliza para evitar que las fugas superficiales u otras corrientes de fuga no deseadas
degraden la precisión de la medición de la resistencia del aislamiento.
Figura 4. 5 Megóhmetro Fluke 1550B
51
4.4
Probador de Relación de Transformación PWR3A Schuetz Messtechnik
(TTR)
[29]
Según el manual de operación, este equipo es completamente automático, y tiene la
capacidad de presentar datos de prueba tanto para transformadores trifásicos como
monofásicos.
Una característica especial, es la capacidad de utilizar voltajes de
trifásicos, para transformadores cuyo ángulo de fase es
medición
30°, donde n representa
el número vector 0-11; además, la capacidad del software de indicar si el grupo
vectorial o los valores de prueba no son correctos, por medio de la pantalla LCD,
indicando la leyenda OK/NOT OK.
Figura 4. 6 TTR PWR3A [29]
52
Adicionalmente posee detección del grupo de conexión desde 0º hasta 180º, en caso
de que la placa del transformador no la indique. En la medición de relación de
transformación es capaz de detectar un intervalo desde 0,75 hasta 20.000. Posee un
rango de error máximo de 0,1º en grupo de conexión y 2 dígitos en relación de
transformación.
El PWR3A se conecta al devanado primario y secundario del transformador por
medio de 4 terminales cada uno (U, V, W, N), estos aplican la tensión de prueba
necesaria, suministrada por un transformador de aislamiento interno en valores de
8V, 40V, 80V, 160V y 230V a frecuencia nominal de alimentación (60Hz). Si se
requiere de frecuencias o voltajes distintos a los citados, existe la opción de
alimentación externa.
4.5
Probador de Aislamiento de Alto Voltaje Hipotronics 100HVT [11]
Este dispositivo permite realizar mediciones tanto en cuartos de pruebas como de
manera externa, ya que su diseño es portátil.
Algunas de sus características incluyen alimentación de 115/220V, a 50/60Hz y con
un consumo de 22/12A y capacidad para producir 50/100KV y 5KVA en las
terminales de salida.
53
(a)
(b)
F
Figura
4.7. Probador
P
de Alto
A Voltaje (a) Gabinetee de Control (b) Módulo de Alto Voltaje
obador se coonstituye dee dos móduloos, como see puede obseervar en la figura
f
Este pro
4.7. El módulo
m
de control poseee un medidoor de corriente (0 a 100 mA) y ottro de
voltaje (0
0 a 100 kV)), ambos dee triple ranggo, que perm
miten tanto mediciones
m
bajas
como de valor máxim
mo.
Existen cuatro term
minales de conexión, Tierra (GRO
OUND), Guuarda (GUA
ARD),
Retorno (RETURN)
(
y positivo (P
POS).
4.6
Otros Eq
quipos
Ademáss de los anteeriormente detallados,
d
s cuenta coon equipo dee apoyo, com
se
mo lo
son:
54
•
Pinza Amperimétrica Fluke 337
Figura 4. 8 Pinza Amperimétrica FLUKE[2]
•
• Probador de aislamiento Megger UNILAP ISO 5kV.
Figura 4. 9 Probador de Aislamiento UNILAP
55
•
Fuente de corriente regulable SUPERIOR ELECTRIC 3PN 136B
Figura 4. 10 Fuente de Corriente SUPERIOR ELECTRIC
•
Voltímetro Analógico YOKOGAWA 2014
•
Amperímetro Analógico YOKOGAWA 2013
Figura 4. 11 Amperímetro y Voltímetro analógico YOKOGAWA
CAPÍTULO 5: Análisis de Factibilidad del Equipo de Pruebas
El protocolo de prueba estudiado consta de todos aquellos ensayos que la norma
C57.12.00 define para transformadores de capacidad inferior a los 500KVA, que
típicamente se pueden encontrar en la red. Estos serán aplicables para los siguientes
casos:
•
Pruebas para transformadores que ingresan a la red (adquirido por el almacén,
aportado por el cliente o de su propiedad “TP”).
•
Pruebas para transformadores retirados de la red (por cese de alquiler, averías,
daños físicos, envejecimiento, entre otros).
•
Pruebas para transformadores reparados en el laboratorio (Control de calidad).
Existe también una cuarta modalidad de pruebas, para transformadores en bóvedas
externas (Inspección y mantenimiento de la red servida por CNFL), para la cual no se
aplicará este protocolo.
Este protocolo además, deberá distinguir entre los distintos tipos de transformadores
existentes en la red, a saber, tipo subestación, de pedestal o sumergibles, sin embargo,
por tratarse de pruebas de rutina, todas las pruebas estudiadas son aplicables a los tres
tipos, tomando las debidas consideración de adaptaciones y accesorios, que no se
contemplan dentro de los objetivos de este proyecto.
56
57
En el capitulo anterior, se han expuesto las características más destacables del
equipo disponible, con el que en la actualidad se realizan solo pruebas monofásicas
de rutina.
Para adaptar este equipo a las pruebas trifásicas, el primer requerimiento adicional
es un transformador con alimentación trifásica variable, presumiblemente de
conexión tipo Yz5; ya que es necesario contar con terminales en el secundario
capaces de proveer tensiones de 208V, 277V, 240V y 480V, ya que la prueba de
voltaje aplicado y la de pérdidas en vacio requieren de una alimentación trifásica
constante al momento de la prueba. Como anteriormente se definió, el tope de
capacidad de los transformadores a ser probados es de 500 KVA, que será también la
capacidad nominal de este transformador de prueba. Para un mayor detalle de
especificaciones de este transformador, véase el documento anexo.
Figura 5. 1 Transformador Trifásico para alimentación de ensayos de Transformadores [28]
58
Así mismo, es necesario adquirir transformadores de instrumentación, para
protección del equipo de medición, tal y como se muestra en los esquemas de
medición de pérdidas estudiados.
Figura 5. 2 Placa de Características de un Transformador de Corriente
La prueba de voltaje inducido no se aplicará en el laboratorio, ya que es una prueba
destructiva, que somete el aislamiento entre espiras a fuertes esfuerzos dieléctricos.
No se cuenta con el instrumental necesario para graduar la frecuencia de entrada, que
según la tabla 3.3 demandará hasta 400 Hz, con el fin de no saturar el núcleo; el costo
de invertir en este equipo es elevado; por lo que basta con las certificaciones
aportadas por el fabricante.
En cuanto al tema de las pérdidas, el uso del equipo TSS25 es válido, en el estudio
teórico, sin embargo, solo la práctica reflejará si las pérdidas registradas de manera
monofásica son equivalentes a las exhibidas por un instrumento trifásico como el
Hipotronics TTS155, el cual posee en su constitución interna tres voltímetros, tres
amperímetros y un watímetro trifásico; así como un termómetro digital.
59
Una precaución en la que se deberá incurrir, es que las pérdidas sin carga se harán
de manera trifásica, pero iniciando la prueba en un valor de voltaje bajo, y luego se
eleva hasta el valor nominal, esto representa un nuevo reto de diseño en cuanto a la
variación de voltaje que se demandará del transformador para ensayos, y la capacidad
de este de incrementar su potencial hasta el valor nominal en un periodo de tiempo
corto.
Figura 5. 3 Detalle del cuarto de pruebas
Para las pruebas que requieren un factor de corrección por temperatura, se hace
necesario la adquisición de termómetros y termopares de gran precisión ya que en la
actualidad se cuenta solo con la que se encuentra en el analizador de pérdidas.
Además del instrumental antes discutido, el uso de las instalaciones del laboratorio,
junto con las herramientas permite la ejecución de las pruebas, si se sigue el
procedimiento a continuación descrito en el capítulo 6.
CAPÍTULO 6: Protocolo de pruebas para transformadores
trifásicos utilizando el equipo existente en el laboratorio. Guía
de procedimiento de prueba de transformadores trifásicos
Las pruebas se realizarán en el orden que se indica a continuación:
6.1
Voltaje Aplicado
El equipo de prueba a utilizar será el probador de aislamiento de alto Voltaje
100HVT Hipotronics (figura 4.7); el procedimiento a seguir es:
1) Conectar el dispositivo a la fuente de alimentación de entrada, 115V-25A /
220V-15A.
2) Seleccionar el rango de voltaje en el panel de control, de acuerdo con la tabla 3.2,
tomar las precauciones necesarias para el caso de transformador nuevo o
transformador reparado.
3) Colocar el pasador del interruptor en la posición 100 kV/ 50mA.
4) Realizar la conexión de la figura 3.13 de manera que quede sólidamente
aterrizada.
5) Colocar la alimentación en Corriente Alterna (AC POWER) y el interruptor termo
magnético de sobrecarga (OVERLOAD) en la posición de encendido (ON)
6) Girar la perilla incremento de voltaje (RISE VOLTAGE) hasta la posición cero,
oprimir el botón arranque cero (ZERO START) y seguidamente incrementar el
voltaje (RISE VOLTAGE) hasta el 25% del valor de prueba y oprimir el botón
encendido alto voltaje (HV ON).
60
61
7) Subir el nivel de voltaje hasta el valor de prueba y mantenerlo durante 1 minuto,
llenar la tabla 6.1 correspondiente a la prueba del lado primario.
8) Bajar el voltaje hasta llegar nuevamente al 25% del valor de prueba, y colocar el
arranque cero en la posición apagado (OFF).
9) Repetir la prueba reconectando según la configuración de la figura 3.14 y repetir
los pasos 5 a 8, llenando los resultados en la tabla 6.1 para el bobinado
secundario.
Tabla 6. 1 Prueba de Voltaje Aplicado
Devanado
6.2
Tensión De Prueba
(KV)
Corriente de Carga
(mA)
Aprobada
Primario
Si
No
Secundario
Si
No
Voltaje Nominal
Para esta prueba se alimentarán las terminales primarias de las tres fases con el
voltaje nominal que indica la placa, y se medirá la corriente y voltaje del secundario
con los siguientes instrumentos:
• Voltímetro Analógico YOKOGAWA 2014
• Amperímetro Analógico YOKOGAWA 2013
1) Conectar el transformador del lado de baja tensión a los instrumentos de
medición, como se indica en la figura 6.1
62
Figura 6. 1Prueba de Voltaje Nominal para Transformadores Yy y Yd
2) Aplicar el voltaje nominal de placa al devanado de alta tensión; anotar los
datos en la tabla 6.2.
3) Des energizar y desconectar el equipo.
4) Repetir los pasos 1, 2 y 3 para las fases dos fases restantes.
63
Tabla 6. 2Prueba de Voltaje Nominal
Fase
A (X1 – X0)
B (X2– X0)
C (X3– X0)
Promedio
Tensión Fase-Fase (V)
Frecuencia (Hz)
6.3
Tensión (V)
Corriente (A)
Tensión Fase-Neutro (V)
Aprobado
Si
No
Relación de Transformación, Polaridad y Relación o Secuencia de Fase
Esta prueba se realiza con el probador de relación de transformación PWR3A
Schuetz Messtechnik (TTR), como se describe a continuación:
1) Conectar el dispositivo a la fuente de alimentación de entrada 120/240V
2) Conectar las terminales del equipo de la manera que lo muestra la tabla 6.3
3) Al encender el equipo, la pantalla despliega la leyenda ENTER VECTOR
GROUP (_ _ _ _) donde por medio del teclado se debe ingresar el grupo de
conexión (Yy5, Dy11, por ejemplo).
4) Oprimir RATIO, para obtener la relación de transformación.
5) En caso de no contar con la información del grupo vectorial, se debe oprimir
la tecla GROUP, el cual dará una aproximación de la secuencia de fase del
transformador.
6) Se debe realizar esta prueba en todas las posiciones del cambiador de
derivaciones (TAP) para constatar una correcta relación de transformación.
64
7) En caso de obtener lecturas fuera de los rangos indicados (ver tabla anexa
A.3.), se debe oprimir la tecla Ii6, que corresponde a transformadores con
polaridad sustractiva, o Ii0 para transformadores con polaridad aditiva.
8) Al final de la prueba se debe llenar la tabla 6.4, ya sea oprimiendo el botón de
A/N para desplegar las 3 relaciones o U, V, W para desplegarlas de manera
individual.
Tabla 6. 3. Disposición de las conexiones del medidor de Relación de Transformación
Conector del
Instrumento de
prueba (Negro)
1U
1V
1W
1N
Terminal
Primaria del
Transformador
A (H1)
B (H2)
C (H3)
Neutro (H0)
Conector del
Instrumento de
prueba (Rojo)
2U
2V
2W
2N
Terminal
Secundaria del
Transformador
X1
X2
X3
Neutro (X0)
Tabla 6. 4. Prueba de Relación de transformación
Posición
del Cambiador
(TAP)
Primario Secundario
Alta
Baja
Tensión
Tensión
Relación de Transformación
Experimental
H0H1 X1X0
H0H2 X2X0
H0H3 X3X0
1
2
3
4
Secuencia de Fase
_ _ _
65
6.4
Corriente de Excitación y Pérdidas Sin Carga
La prueba se realiza por medio del equipo para pruebas Hipotronics TTS-25.
1) Verificar el voltaje nominal del bobinado secundario y colocar el
transformador alimentador variable en la posición adecuada para este nivel de
voltaje.
2) El equipo de prueba cuenta con tres terminales; Rojo (+) y Negro (-); con sus
respectivos terminales de medición y verde (aterrizamiento), estas deben
colocarse respectivamente como se muestra la tabla 6.5, ilustrada en la figura
6.2. Por lo tanto se realizarán 3 ensayos.
Tabla 6. 5. Disposición de las terminales para la prueba de Pérdidas sin Carga
Equipo para Pruebas Hipotronics TTS-25
Rojo
Negro
Verde
X1
X0
Chasis
X2
X0
Chasis
X3
X0
Chasis
Transformador Alimentador
Fase B
Fase C
X2
X3
X3
X1
X1
X2
66
Figura 6. 2 Conexión para la prueba de Pérdidas sin Carga
3) Encender el interruptor MAIN POWER, BACK UP y el CURRENT METER
OVERLOAD. Los LEDs indicadores se encenderán.
4) Al cerrar la puerta del cuarto de pruebas, se deshabilitará el indicador INTLK
OPEN, se debe accionar la llave y CONTROL POWER, además de mantener
el interruptor de pie presionado.
5) Seleccionar el rango de corriente, por medio de la opción CURRENT RANGE
y el ámbito de voltaje con OUTPUT TAP.
6) Programar el medidor de potencias Yokogawa (POWER METER) en
transformación de corriente 1/1 y transformación de potencial 1/1.
7) Usando la perilla selectora TEST MODE, seleccionar la opción LOSS,
encender el botón HIGH VOLTAGE simultáneamente con el transformador
67
alimentador. Aumentar el voltaje de prueba con el control de RISE, hasta
llegar al valor nominal.
8) Cuando las medidas se desplieguen en el medidor de potencias es posible
congelar la medición, por medio del botón HOLD, para completar los datos
en el cuadro correspondiente (Tabla 6.6).
9) Cuando la prueba se ha completado, se presiona el control LOWER y se apaga
el botón HIGH VOLTAGE y se des energiza el transformador alimentador.
También se puede des energizar el equipo quitando la presión sobre el
interruptor de pie.
10) Repetir los pasos anteriores para los ensayos dispuestos en la tabla 6.5.
6.5
Pérdidas con Carga e Impedancia
La prueba se realiza por medio del equipo para pruebas Hipotronics TTS-25.
1) Verificar posibles conexiones internas de los devanados con el chasis, para
conectar las terminales de datos de manera adecuada. La terminal que se
encuentre aterrizada siempre se conectará con el terminal de datos y
alimentación negro.
2) Determinar los datos de placa del transformador estudiado (Voltaje, Corriente,
Potencia Nominal, porcentaje de Impedancia) tanto del lado del primario
como el secundario.
3) El equipo de prueba se conecta a las terminales primarias H1-H2 y se aterriza
el chasis. Se acopla el termopar al tanque del transformador, para tener una
68
medición de temperatura del aceite y alrededores. Las terminales del primario
se cortocircuitarán con puentes indicados en la tabla anexa A.4.
11) Encender el interruptor MAIN POWER, BACK UP y el CURRENT METER
OVERLOAD.
12) Al cerrar la puerta del cuarto de pruebas, se deshabilitará el indicador INTLK
OPEN, se debe accionar la llave y CONTROL POWER, además de mantener
el interruptor de pie presionado.
13) Seleccionar el rango de corriente, basado en la prueba anterior, por medio de
la opción CURRENT RANGE y el ámbito de voltaje basado en el cálculo del
voltaje nominal, multiplicado por el porcentaje de impedancia tomado en el
punto 2 con el selector VOLTAGE TAP.
14) Programar el medidor de potencias Yokogawa (POWER METER) en
transformación de corriente 1/1 y transformación de potencial 1/1.
15) Usando la perilla selectora TEST MODE, seleccionar la opción LOSS,
encender el botón HIGH VOLTAGE. Aumentar el voltaje de prueba con el
control de RISE, hasta llegar a un valor del voltaje calculado en el punto 13.
16) Cuando las medidas se desplieguen en el medidor de potencias es posible
congelar la medición, por medio del botón HOLD, para completar los datos
en el cuadro correspondiente (Tabla 6.6).
17) Cuando la prueba se ha completado, se presiona el control LOWER y se apaga
el botón HIGH VOLTAGE.
69
18) Re-energizar el set de prueba, pero esta vez para los valores de H2-H3 H3-H1
para obtener un valor a partir de las ecuaciones 3.9, 3.10 y 3.11.
Tabla 6. 6 Resultados de Ensayos para Pérdidas con Carga
Tensión de
prueba (V)
Pérdidas en
Vacío (W)
Corriente de
Excitación
(A)
Factor de
Potencia
6.6
Corriente de
prueba (A)
Pérdida con
Carga (W)
Tensión
Cortocircuito
(V)
Factor de
Potencia
--------------
--------------
Pérdidas
Totales (W)
Impedancia
(%)
Eficiencia
(%)
Resistencia del Aislamiento
La prueba se realizará con el Megaohmímetro 1550B; por medio de los siguientes
procedimientos:
1) Se deben desconectar todas las terminales de alimentación del transformador
2) Girar el obturador de seguridad e introducir las puntas de prueba en las
terminales: Negro - Negativo, Rojo - Positivo y Verde – Guarda.
3) Para la realización de la prueba se debe asegurar que no exista conexión
interna entre el chasis (masa) y alguno de los bobinados, en caso contrario, la
70
medición se realizará de forma parcial, entre los bobinados que no presenten
esta clase de conexión.
4) Este ensayo se debe realizar 3 veces, de manera que se cumpla con las
conexiones indicadas en la tabla 6.7, cortocircuitando todas las terminales del
primario entre sí y las terminales del secundario también entre sí.
5) Al encender el medidor, se debe seleccionar la opción TEST VOLTAGE e
introducir el valor máximo indicado por la tabla 3.5 (1000V, 2500V o 5000V)
6) Se selecciona el tiempo de la prueba en la opción TIME LIMIT de 60s para el
primer dato y 30s para el segundo.
7) Para llenar la tabla 6.7 se recurre al valor de RAD (DAR) en la opción
RESULTS.
Tabla 6. 7 Prueba de Resistencia de Aislamiento
Conexión
Medición (MΩ)
Rojo
(+)
Negro
(-)
Verde
(Guarda)
Primario
Secundario
Masa
Primario
Masa
Secundario
Secundario
Masa
Primario
60 s
30 s
RAD
60
30
71
6.7
Rigidez Dieléctrica del Aceite
El instrumento de medición recomendado para esta prueba es el Analizador Portátil
de Aceite Megger Foster OTS-60PB el cual sigue este procedimiento:
1) Abrir la llave de toma de muestra de aceite y realizar un enjuague del
recipiente con el aceite de muestra, luego, recolectar el aceite al menos hasta
el nivel de 500 ml
2) Seleccionar y ajustar los electrodos de acuerdo con la prueba que se va a
realizar (Tabla 4.2)
3) Abrir la compuerta del depósito de pruebas, tirando de la puerta hasta que se
encuentre en posición horizontal
4) Deslizar el vaso de prueba previamente lleno, a través de la puerta bandeja
hasta el tope de la cámara de ensayos.
5) Una vez que la puerta se empieza a cerrar, la posición de los electrodos
descenderá hasta cerrar completamente la puerta.
6) Para fines del Laboratorio de Transformadores de CNFL, se usa la prueba
correspondiente a ASTM D1816, por lo que se configura en el menú principal
de la pantalla OPTIONS- BS5730a y luego SELECT para activar la opción.
7) La secuencia de prueba finaliza en alrededor de 20 minutos, cuando se toma el
dato de rigidez, en kV.
8) Se retira la muestra de la compuerta, y se desecha apropiadamente, para su
reciclaje.
CAPÍTULO 7: Conclusiones y Recomendaciones
Al finalizar esta investigación, se pueden rescatar las siguientes conclusiones y
recomendaciones, que llevarán este proyecto hacia su desarrollo práctico.
7.1
Conclusiones
F
Los equipos descritos anteriormente, están en condiciones de realizar las pruebas
estudiadas, por lo tanto, es factible técnicamente iniciar estos ensayos.
F
El servicio que presta el laboratorio de transformadores a la capacidad instalada
de la red de distribución de la CNFL se puede expandir al realizar pruebas no
solo a transformadores monofásicos, sino también trifásicos, con procedimientos
que guardan los lineamientos de la norma internacional y se adaptan al equipo
del que ya se dispone. Estos ensayos servirán como referencia para determinar si
un transformador es apto para ponerse en operación, de una manera más
confiable que si se dependiera solo de la inspección visual y el certificado del
fabricante.
F
Uno de los desafíos más importantes de este proyecto fue el aspecto económico
que involucra la inversión en nuevos equipos para el tratamiento de los
transformadores de potencia y distribución. La puesta en práctica del protocolo
de pruebas descrito, está proyectado para reducir estos costos, ya que la inversión
72
73
es mucho menor al adquirir transformadores de instrumentación , un
transformador trifásico y algunos amperímetros y voltímetros; que la que se
tendría adquiriendo un equipo completo de pruebas trifásicas, como en el caso
del TTS155.
F
Un buen diagnóstico de las condiciones en las que se encuentra un transformador
operando en sitio también es parte fundamental del quehacer de este laboratorio,
por lo que se hace provechoso disponer de un equipo portátil para la realización
de las pruebas. Algunos de los instrumentos estudiados son portátiles y permiten
a los operarios realizar ensayos adicionales para verificar las condiciones de
funcionamiento de los transformadores de la red.
F
Un estudio de pérdidas de trasformadores es sumamente importante, debido a
que la eficiencia de un transformador representa que el gasto en generación de la
energía será bien aprovechado, esto representa consideraciones de tipo ambiental
tanto para CNFL, como para el público al que se le brinda el servicio.
F
Todos los ensayos propuestos en el protocolo de pruebas deberán probarse con
sumo cuidado, antes de proponerse como práctica habitual, ya que un mal uso del
equipo puede comprometer la calidad de los resultados y llevar a esfuerzos
innecesarios tanto al transformador, como al instrumental de prueba. Con esto, se
requiere llevar a cabo una revisión del protocolo y hacer adaptaciones según el
tipo de transformador, ya sea sumergible, de pedestal o subestación, en materia
de fusibles, prueba de llave LBOR, posición del intercambiador de derivaciones,
y algunos otros que no se tomaron en cuenta en la realización de este protocolo.
74
F
Con la implementación del protocoló de pruebas, se logrará emitir un dictamen
que será de utilidad no solo para los transformadores propios de CNFL, sino
también, con transformadores particulares, respaldados por los procedimientos de
las normas internacionales, lo que garantiza la protección de los recursos de la
empresa y al tener conocimiento del envejecimiento, se podrá disponer de un
plan de sustitución y reparación del equipo para no comprometer la calidad de la
energía y evitar las salidas de operación eventuales.
7.2
Recomendaciones
H
El laboratorio de transformadores carece de infraestructura suficiente, para alojar,
probar y almacenar transformadores trifásicos. Esto implica la necesidad de
realizar ampliaciones en el cuarto de pruebas y en la zona de almacenamiento,
además de la instalación de equipo especializado para movilizar transformadores
de gran tamaño, para facilitar la implementación del protocolo de pruebas.
H
Para la realización exitosa de las pruebas, es necesario que las condiciones de
humedad relativa y temperatura estén controladas, por lo que se recomienda la
inversión en el mejoramiento del cuarto de pruebas, implementando instrumentos
de clima controlado, para evitar el sesgo relacionado con los factores
climatológicos.
75
H
Un factor muy importante en la aplicación de estas pruebas es un correcto
sistema de aterrizamiento, por lo tanto, antes de implementar el protocolo, se
recomienda un estudio del sistema de puestas a tierra existente en el laboratorio.
H
Aunque existen formularios para la documentación de las pruebas a
transformadores trifásicos (F254) y monofásicos (F032), se recomienda
actualizar los mismos para incluir el diseño de las tablas propuestas por el
protocolo de prueba, de esa manera, se cuenta con más información y una
referencia más amplia para catalogar el transformador como apto o no apto para
entrar en la red de distribución.
H
La implementación de software para registro, documentación y graficación de
ensayos de pérdidas en transformadores sería una herramienta que se puede
implementar a mediano plazo, con el fin de dar un valor agregado al protocolo de
pruebas presentado.
H
En cuanto al material humano, la puesta en práctica del protocolo deberá
considerar una serie de medidas de seguridad para la protección del personal a
cargo; es necesario el diseño de normas de seguridad de acuerdo con la
legislación existente en CNFL y que en ningún momento se ponga en riesgo la
integridad física del funcionario.
76
H
La calibración del equipo de medición es una herramienta muy importante, ya
que una lectura inadecuada puede inducir errores en el protocolo y con esto
rechazar o aprobar transformadores de manera poco confiable. El periodo entre
calibraciones está definido por el fabricante y debe ser registrado por el
encargado del laboratorio, para que se realice al tiempo adecuado. Esto también
debe implicar el proceso de certificados de calibración, y la investigación de la
vida útil que tiene el equipo según el fabricante y si es posible la extensión de
ambos plazos.
H
En materia de instrumental, se recomienda la adquisición de amperímetros y
voltímetros de alta tensión, así como transformadores de instrumentación, para
adaptar al circuito de prueba respectivo. La adquisición de un transformador
trifásico especializado, cuyo único fin será la alimentación del cuarto de pruebas,
es una necesidad inminente si se desea poner en marcha el proyecto.
H
Una buena práctica del protocolo, aunado a una serie de cambios en
infraestructura y procedimientos del laboratorio, propician la puesta en marcha
de un proceso de certificación, tanto a nivel nacional como internacional, con
entes competentes, no sin antes mejorar las condiciones actuales. Esta
certificación dará mayor respaldo al quehacer del laboratorio.
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analyzers/
http://tmi.yokogawa.com/products/digital-power-analyzers/digital-power-
APÉNDICES
81
82
83
84
Especificaciones técnicas de transformador Rymel de 500 KVA[28]
1. Potencia
KVA
2. Tipo
3. Tensión primaria nominal
V
4. Tensión secundaria nominal
V
5. Regulación en alta tensión
%
6. Frecuencia
Hz
7. Corriente primaria nominal
A
8. Corriente secundaria nominal
A
9. Aumento de temperatura sobre el ambiente
promedio de 30°C en:
a. Aceite superior
°C
b. Promedio del cobre
10. Tensión serie primario / secundario
KV
KV
s primario / secundario}μ11. BIL, onda 1.2/50
12. Pérdidas en el hierro (vacío) al 100% de Vn
W
13. Pérdidas en el cobre (carga) a 85 °C
W
%
14. Impedancia de cortocircuito a 85 °C
Vn
%
15. Corriente de excitación al 100% de Vn
An
16. Dimensiones totales aproximadas
a. ALTO
b. FRENTE
mm
c. FONDO
17. Peso total
Kg
18. Volumen de aceite
Lt
19. Norma de fabricación y pruebas
20. Regulación a plena carga y F.P 0.9
%
21. Eficiencia a plena carga y F.P 0.9
%
22. Fusible Limitador
A
23. Fusible Bayoneta
A
24. Grupo de Conexión
500
Pedestal Anillo
34500
208 – 120
+2, -2, x 2.5%
60
8.367
1387.9
60
65
34.5 / 1.2
150 / 30
1025
5000
5.5
0.4
1650
1640
1340
2500
900
ANSI – IEC
2.8
99.1
80
15
25. Accesorios
Puesta a tierra del neutro, Puesta a tierra del tanque, Dispositivo de alzamiento,
Cambiador de derivaciones, Válvula de sobrepresión, Placa de características, Buje
85
integral en A.T 200 A - 35 kV, Buje tipo codo en A.T 200 A – 35 kV, Porta Bay-onet para intercambio de fusible desde el exterior, Fusible limitador de corriente en
serie con el fusible Bay-o-net, Seccionador de 4 posiciones tipo T 200 A - 35 kV,
Dispositivo para bujes de parqueo en A.T, Conector tipo paleta en B.T, Gabinete de
A.T y B.T separados, Nivel tipo visor de aceite, Llave de purga y reciclaje del liquido
refrigerante, Dispositivo para levantar la unidad con gato mecánico, válvula de
llenado de nitrógeno, termómetro.
Pruebas de rutina, diseño y otros para transformadores inmersos en aceite
(Norma C57.12.00)
86
87
ANEXOS
88
89
Analizador de Transformadores Hipotronics TTS-25
Figura A. 1 Vista Interna del sistema de medición
Figura A. 2 Vista interna del panel de control
90
Figura A. 3 Sistema de regulación de voltaje
Figura A. 4 Sistema de Alimentación
91
Diagramas de conexión interna del Analizador de Transformadores
Hipotronics TTS-25
92
93
94
95
96
97
98
99
100
Tablas y Formularios utilizados por CNFL
101
Tab
bla A. 1 Form
mulario paraa Pruebas de Transformaadores Trifássicos
COMP
PAÑÍA NACI
IONAL DE FUERZA Y LU
UZ, S.A.
Sección Construcción
n de Obras Eléctricas
Laborato
orio de Transfformadores
P
Pruebas
a Trransformado
ores Trifásic
cos
F
F-254
Fecha:_____
____________
_______
Cuenta/OT
T:__________
_____________
___
Empresa:_______
____________
____________
____________
_____________
_____
Dirrección:______
____________
_____________
____________
____________
_____
Con
ndición
del banco:
CNFL
Transfo
ormador Particu
ular
Identifica
ación del tran
nsformador
Nº transformador:
t
:
Serie:
Marca:
Polaridad:
Capacidad (kVA):
Impedancia:
Tensión primaria (kV):
(
Líquido aislante:
Tensión secundaria (V):
Clase:
Diag
grama conexión:
Tipo:
Su
umergible [
]
Se
eco [
]
Pedestal[
]
S
Subestación[
]
Tipo de
con
nexión:
Res
sultado de pru
uebas
1) Temperattura:
_________ ºC
2) Rigidez
z dieléctrica del aceite: _____
__________kV
V
3) Prueba de
e relación de trransformación:
TAP
T
1
TAP 2
TAP 3
TAP 4
TAP
P5
Fase A
Posición
Fase B
del Tap
Fase C
Grupo de conexión:
c
Primario -masa
Cone
exión
Inte
erna
4) Prueba
de
aislamient
o:
Ning
guno
Primario
o-secundario
Conexión eq
quipo
Primario-m
masa:
Primario-secu
undario:
Secundario-masa:
Revisado por:
Obs
servaciones:
Secun
ndario-masa
Primario
o-secundario-m
masa
Medición en
e megaohmios
30 segundos
s
60 segund
dos
RA
AD
Tensión de
prueba de
aisla
amien
102
Tabla A. 2 Formulario para Pruebas de Transformadores Monofásicos
COMPAÑÍA NACIONAL DE FUERZA Y LUZ, S.A.
Sección Construcción de Obras Eléctricas
F-032
Laboratorio de Transformadores
Pruebas a Transformadores Monofásicos
Fecha:
Estudio:
AM:
Cantidad:
Empresa:
Nº TRANSFORMADOR
Aporte
TP
CNFL
Identificación del transformador
Número:
Polaridad:
Marca:
Bil. Alta Tensión:
Serie:
Bil. Baja Tensión:
Conductor Alta Tensión/Baja Tensión:
Capacidad (kVA):
Tensión primaria:
Fecha:
Tensión secundaria:
Diagrama conexión:
Tipo:
Líquido aislante:
Impedancia:
Clase:
Resultado de pruebas
Tensión aplicada:
_________________(kV)
1) Temperatura:
_____-°C
2) Prueba de
tensión
aplicada:
Posición Tap
NO
Medida
1
3) Prueba de relación
de transformación:
(Tolerancia de ±0,5%)
SI
Corriente medida:
______________(mA)
2
Posición del Tap para
3
100%
TAP 1 (
)
4
TAP 3 (
)
5
4) Pruebas
en vacío y
corto
circuito
Tensión de prueba (V):
Corriente de prueba
(A)
Pérdidas totales(W)
Pérdida en vacío (W):
Pérdida con carga (W)
Impedancia (%)
Corriente de excitación (A):
Tensión corto circuito
(V)
Eficiencia (%)
Factor de potencia:
Factor de potencia
------------------------------------
103
Conexión
5) Prueba de
aislamiento:
Medición en megaohmios
30
segundos
60
segundos
RAD
Primario a masa:
Primario a secundario:
Secundario a masa:
6) Prueba de rigidez dieléctrica del aceite (kV):
Aprobado:
Rechazado
:
Nº de solicitud:
Revisado por:
Retira:
Nº de OT:
Nº cédula:
Firma
Observaciones:
_____________________________________________________________________________________
Tabla A. 3 Relación de Transformación Utilizada por el Laboratorio CNFL
Voltaje Primario
Voltaje secundario
Relación Esperada
Voltaje Primario
Voltaje secundario
Relación Esperada
Voltaje Primario
Voltaje secundario
Relación Esperada
Voltaje Primario
Voltaje secundario
Relación Esperada
19920
120
166
277
71.9
120/240
83
240/480
41.5
120/240
33.2
240/480
16.6
120/240
31.75
240/480
15.9
120/240
10
240/480
5
7970
120
66.4
277
28.8
7620
120
63.5
277
27.5
2400
120
20
277
8.66
104
Tabla A. 4 Calibre del Conductor para prueba de Pérdidas con Carga
Capacidad (kVA)
15
25
37.5
50
75
100
167
250
333
Capacidad (kVA)
15
25
37.5
50
75
100
167
250
333
Capacidad (kVA)
15
25
37.5
50
75
100
167
250
333
Corriente del Secundario
en 120V (A)
125
208.33
312.5
416.67
625
833.33
1391.67
2083.33
2775
Corriente del Secundario
en 240V (A)
62.5
104.17
156.25
208.33
312.5
416.67
695.83
1041.67
1387.5
Corriente del Secundario
en 277V (A)
54.15
90.25
135.38
180.51
270.76
361.1
602.89
902.53
1202.17
Calibre del puente
(Cortocircuito)
#2
3/0
500 MCM
2 x 3/0
2 x 500 MCM
2 x 500 MCM
3 x 500 MCM
Calibre del puente
(Cortocircuito)
#2
#2
3/0
3/0
500 MCM
500 MCM
2 x 500 MCM
3 x 500 MCM
4 x 500 MCM
Calibre del puente
(Cortocircuito)
#2
#2
3/0
3/0
250 MCM
500 MCM
2 x 500 MCM
3 x 500 MCM
3 x 500 MCM
105
Tabla A. 5 Valores Admisibles de pérdidas de potencia en transformadores trifásicos [17]
Potencias
(KVA)
Pérdidas Sin Carga
(W)
Pérdidas Totales
(W) 85ºC
195
Pérdidas Con
Carga
(W)
780
75
150
330
1320
1650
225
450
1800
2250
300
600
2400
3000
500
900
3600
4500
750
1200
4800
6000
1000
1600
8000
9600
1500
2100
12600
14700
975