Normas IEEE C57 aplicadas a transformadores eléctricos PDF

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Trabajo final de transformadores eléctricos.
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Normas IEEE C57 aplicadas al diseño de un transformador. Darwin Mauricio Bravo Bolaños. II. CONTENIDO .

Resumen—En este documento se presenta la aplicación de las normas IEEE C57 necesarias para el diseño de un transformador que se pondrá en una zona a condiciones ambientales dadas, condiciones climáticas, altitudes y niveles de polución.

En la Tabla 1.1 se presenta las características de tres transformadores monofásicos, teniendo en cuenta que los valores nominales se definen a 1000 msnm y 30°C de temperatura ambiente promedio.

Palabras clave— Altitud, Ensayos, Normas, Temperatura, , Tensión, Transformador.

Abstract — This document present the application of the IEEE C57 standards necessary for the design of a transformer that will be placed in an area at given environmental conditions, climatic conditions, altitude and pollution levels .

Key words— . Altitude, Standars, temperature, tests, voltage, transformer.

I. INTRODUCCIÓN La conexión de tres transformadores monofásicos pueden satisfacer necesidades trifásicas. Se tiene un banco de transformadores monofásicos que trabajará de forma trifásica, estos transformadores se instalarán en una zona con temperatura promedio , altitud de instalación, y nivel de polución , además tienen características de potencia, voltaje en alta y baja tensión nominales. Existe la norma IEEE C57 la cual especifica en sus anexos el seguimiento para el diseño y colocación de transformadores en zonas o lugares según las características y los requerimientos deseados. en las páginas posteriores se realizará un diseño de un banco de transformadores monofásicos con características dadas que busca satisfacer condiciones mediante la norma IEEE C57 .

Tabla 1.1 características de transformadores monofásicos dadas.

Para satisfacer las condiciones de conexión en alta tensión (AT), se busca en la Norma IEEE Std C57.12.00 de 2015 anexo#1 tabla 7 y según la Figura 1.1 la conexión más adecuada corresponde a la identificación 1(c). Donde se necesita una tensión E= 34500 [VLL] para conectar en delta.

Figura 1.1.Anexo#1. Norma IEEE Std C57.12.00 de 2015, Tabla 7, tipo de conexión para voltaje en alta tension (AT)

Para satisfacer las condiciones de conexión en baja tensión (BT), se busca en el anexo #1 tabla 7 de la norma IEEE Std C57.12.00 de 2015 y según la Figura 1.2 la conexión más

adecuada a conveniencia corresponde a la nomenclatura 1(e). Donde se necesita una tensión E = 2400 [VLN] para conectar en estrella entre fase y neutro y 2E =4800 [VLL] para el voltaje línea a línea

donde: K: Mínima distancia de fuga de Figura 1.4 [ mm KV ] VLL :Voltaje línea a línea en [KV ]  aplicando la ecuación (1): Distancia de fuga AT =20 KV × 34,5 KV = 690 mm. mm Distancia de fuga BT = 20 KV × (√ 3 *2.4) KV = 83 mm. mm

Figura 1.2. Anexo#1, Norma IEEE Std C57.12.00 de 2015, Tabla 7, tipo de conexión para voltaje en baja tensión (BT).

2.-Corregir las distancias requeridas en el aislador para poder trabajar a la altitud de la instalación . Para poder corregir las distancias requeridas en el aislador, según la IEEE Std C57.12.00-2015 se presenta la figura 1.5 donde para una altitud de 2850 msnm se aprecia un factor de corrección del 0.815 con ayuda de la interpolación.

1.- Especificar mínimas distancias de fuga en mm (creepage distance) en los aisladores para AT y BT a 1000 msnm. Para especificar las mínimas distancias de fuga se utiliza el criterio según IEC 60815 en las tablas 1 y 2. En la Figura 1.3 se aprecia que los aisladores estarán sometidos en una zona con un nivel de polución II- medio, para áreas con industrias que no producen humo contaminante, también en áreas con industrias o casas sometidas a viento y lluvias, y áreas expuestas al viento del mar pero no cerca a la costa.

Figura 1.5,Norma IEEE Std C57.12.00, Tabla 1, factor de corrección.

Debido a que la rigidez dieléctrica del aire depende del inverso de la altura, entonces se debe asegurar una distancia de fuga mayor y debe calcularse una distancia de arco. Al dividir los resultados de distancias de fuga del punto anterior entre el factor de corrección se corrige la distancia de fuga en AT y BT :

Figura 1.3. Tabla 1, Norma IEC 60815, nivel de polución de zonas donde estarán sometidos aisladores. En la Figura 1.4 se aprecia que para un nivel II- medio, la mínima distancia de fuga tanto en AT como en BT es de 20 [mm/ KV].

690 mm.=846.625 mm Distancia de fuga AT corregida = 0.815 83 mm.=101.84 mm Distancia de fuga BT corregida = 0.815

De la Tabla 1.1, se obtienen las distancias de arco para AT y BT, y se corrigen dividiendo entre el factor de corrección.: 300 mm.= 368.09 mm Distancia de arco AT corregida = 0.815 40 mm.= 49.07 mm. Distancia de arco BT corregida = 0.815

Figura 1.4. Tabla 2, Norma IEC 60815, Mínima distancia de fuga. Para sacar el valor de la mínima distancia de fuga se utiliza la ecuación (1). Distancia de fuga =( K mm KV

) × ( VLL KV) (1)

3.-Corregir la potencia del banco trifásico para poder trabajar a la temperatura ambiente y a la altitud especificada.

Para la corrección de potencia se tiene en cuenta la Figura 1.6 el cual indica el porcentaje de KVA según la temperatura del refrigerante utilizado para el transformador. En el caso particular del ejercicio propuesto, se tiene un banco de transformadores con refrigeración tipo ONAN, debido a que los datos nominales fueron tomados a 1000 msnm y a 30°C, pero los transformadores trabajan a 18°C y a 2850 msnm, se procede a corregir la potencia aparente. Factor de temperatura: Para el caso de refrigeración ONAN se tiene un factor de incremento de carga de 1.0 para temperaturas menores. F actor de corrección = 1.0% * 12 = 0.12 P otencia aparente corregida(trif ásica) = 0.12 * 3 M V A P otencia aparente corregida(trif ásica) = 3 60 KV A

temperatura es un aumento y el factor de altitud es una reducción ya que está a más de 1000 msnm. S total corregida (trif asica) = 3 M V A + 360 KV A − 222 KV A Stotal corregida (trifásica)= 3.138MVA 4.-Si los transformadores del banco se dotan con ventiladores y estos se encienden, cuando se prenden los ventiladores el punto caliente desciende a su máxima temperatura de 110°C y 90°C, ¿ cómo sería la designación de las potencias ONAN/ONAF del banco de transformadores?. Se tiene en cuenta la figura 1.6 debido a una disminución de la temperatura respecto a la temperatura nominal, para potencias de ONAN/ONAF se tiene un factor de 0.75%. Se tiene en cuenta la figura 1.7 de la cual para un transformador inmerso en líquido refrigerado por medio de aire forzado el factor es de 0.5% por cada 100 m.

Figura 1.6, Norma IEEE C57.91-2011.tipo de refrigeración.

Luego se procede con el factor de corrección de altura. Se debe tener en cuenta que los transformadores son autorefrigerados e inmersos en líquido, para lo cual se tiene un factor de 0.4% por cada 100 m, según la figura 1.7.

Aplicando el factor de corrección de potencias con los datos anteriores se tiene que: Para factor de temperatura: F actor de corrección = 0.75% * (110°C − 90°C) = 0.15 S total corregida (trif ásica) = 3 .138M V A * 0.15M V A S total corregida (trif ásica) = 0.4707M V A Para factor de altitud: F actor de corrección = 0.5% * (1850/100) = 0, 0925 S total corregida (trif ásica) = 3.138M V A * 0.0925 S total corregida (trif ásica) = 0 .2941 MV A Luego de tener ambos factores de corrección, tanto de altitud como de temperatura se procede a calcular la potencia aparente total corregida, teniendo en cuenta que el factor de temperatura es un aumento y el factor de altitud es una reducción ya que esta a mas de 1000 msnm. S total corregida (trif ásica) = 3 .138M V A + 0.4707M V A − 0 .2941MV A S total corregida (trifasica)= 3.3146MVA

Figura 1.7, Norma IEEE C57.91-2011. Tipos de refrigeración.

F actor de corrección = 0 .4% * (1850/100) = 0.074 P otencia aparente corregida(trif ásica) = 0.074 * 3 M V A P otencia aparente corregida(trif ásica) =222 KVA Después de tener ambos factores de corrección, tanto de altitud como de temperatura se calcula la potencia aparente total corregida, teniendo en cuenta que el factor de

5.-Indicar la categoría de los transformadores y los niveles de ensayo del aislamiento para los devanados de AT y BT en las siguientes pruebas, si el transformador se probará en un laboratorio ubicado a 1000 metros y qué niveles de prueba se usarían si el laboratorio está ubicado a 2850 metros . Según la Norma IEEE Std C57.12.00-2015, en la página 27 se encuentra los niveles de aislamiento para devanados de AT y BT, en el cual se tienen transformadores monofásicos de distribución debido a que la potencia aparente es de 1 MVA y

potencia trifásica de 3 MVA. No se elige como transformador de potencia ya que no supera los 30 MVA . Según norma, y la tabla correspondiente se encuentra en la Figura 1.8

Los resultados son para una altitud de 1000 m si la altitud se cambia por 2850 m entonces según la Figura 1.5 y con ayuda de la interpolación se obtiene un valor de 0.821 debido a la altura se presenta menor rigidez y la tensión es menor: VLL= 0.821 * 40 KV = 32.84 KV RMS Como se hace el ensayo en AT y a doble de la tensión nominal, debido a la relación de transformación en BT se asume lo mismo que en AT teniendo en cuenta que el voltaje más cercano en BT de VLL=4156.92 V es 5 KV.

Figura 1.8. Norma IEEE C57.12.00, página 27, Tabla 3 nivel de aislamiento para todos los devanados clase I, distribución.

c.-BIL, BSL y onda recortada. Para este análisis se debe recurrir a la tabla de la página 27 (niveles de aislamiento dieléctrico para todos los devanados del transformador de potencia clase I de la norma IEEE Std C57.12.00-2015), Figura 1.8, donde se busca en el BIL del devanado de fin de línea el correspondiente a el caso de 34.5KV.

a.-Ensayo de tensión aplicada. Con una frecuencia nominal y a una altitud de 1000 m, para AT el aislamiento entre los devanados para una conexión en delta según la Figura 1.8 es de 50 KV RMS Con una frecuencia nominal y a una altitud de 1000 m, para BT el aislamiento entre los devanados y entre estos a tierra según la Figura 1.8 es de 19 KV RMS, para estrella aterrizado. Con una frecuencia nominal y a una altitud de 2850 m, se debe aplicar un factor de corrección por altitud para AT Y BT el cual se obtiene de la interpolación de los datos de la Figura 1.5. dando como resultado un factor de corrección de 0.821, entonces dado que a mayor altitud hay menor rigidez dieléctrica del aire debe existir una menor tensión Y multiplicada por el factor de corrección de altura se tiene que: para AT: 50 KV*0.821= 41.05 KV RMS para BT: 19 KV * 0.821=15.599 KV RMS b.-Ensayo de tensión inducida linea a linea. El ensayo de tensión inducida se hace con el fin de verificar el aislamiento entre espiras de un mismo devanado, según la figura 1.8, se observa que la tensión línea a tierra es de 40 KV dado que no son valores linea a linea se debe multiplicar por √ 3 , los valores son: VLL = √ 3 * 40 KV = 69.282 KV RMS

Figura 1.9 Norma IEEE Std C57.12.00,página 27, BIL

Luego de hallar el BIL, que para este caso es de 125 KV y 2 BIL’S suplentes de 150 KV y 200 KV procede a hallar el BSL que por sus siglas indica “Basic Switching impulse insulation Level” el cual me indica el valor de voltaje cresta de la onda completa debe poder soportar. Se busca en la tabla 5 (Figura 1.10) de la misma Norma “Lighting and switching impulse test table”, para este caso de 125 KV de BIL se tiene un BSL de 104 KV. Sin embargo esta prueba se realizó en un laboratorio a 2850 msnm y estos datos son a 1000 msnm por lo tanto se procede a corregir el factor de altitud:

B IL corregido = 125 KV * 0.821 = 102, 62 KV B SL corregido = 104 KV * 0.821 = 85, 384 KV Para hallar el BIL en baja tensión (BT), se debe tener en cuenta que se trabaja con el voltaje línea neutro que en este caso es de 4.157 KV y se procede a buscar en la tabla de la Figura anterior el BIL correspondiente. Donde el BIL mínimo es de 60 KV, sin BIL’s suplentes y su BSL seria 50 KVA B IL corregido = 60 KV * 0.821 = 49.26 KV B SL corregido = 50 KV * 0.821 = 41.05 KV

tensión a tierra. Para bobinados delta, el voltaje a tierra desarrollado en cada terminal debe estar de acuerdo con el BIL especificado, aunque el voltaje interior al devanado puede reducirse al 87% que el voltaje en terminales. 7.-¿Si la temperatura en el punto más caliente en estos transformadores es de 100 °, cuál será la vida útil de los mismo en años? . Para el cálculo de la vida útil del transformador se aplica la ecuación (2) obtenida de la norma IEEE Std. C57.12.00-2015 numeral 5.11.3.

v ida útil = e[ T15000 +273 − 27.064] (2) donde: T= temperatura en °C Figura 1.10 Norma IEEE C57.12.00,página 27, BIL

Después se calcula la onda recortada (chopped wave) que se calcula como 1.1*BIL la cual se encuentra en la tabla de la Figura 1.10. Para el caso de AT la onda recortada es de 138 KV cresta y para BT es de 66 KV cresta

d.- Onda recortada, indicar min.time to flashover y KV crest. Se tiene que el KV crest de la onda recortada es de 138 para un BIL de 125 KV y para la clase I que es el tipo de transformadores que tenemos, se tiene un Min. time to flashover de 2.3 us, esto para condiciones de 1000 msnm, lo cual debemos calcular nuevamente valores para 2850.Para el caso de AT se tiene que: Onda recortada corregida = 138 KV * 0.821 = 113.298 KV

calculando la vida útil se tiene que: 15000 v ida útil = e[ 100+273 − 27.0.64] = 514256.3789 horas Vida útil = 58.70 años

8.-¿Cuál es la mínima separación entre partes vivas de aisladores de AT y BT a 1000 msnm y altitud de operación según IEEE Std.C57.12.00 ? . Según la Figura 1.12 y en la norma IEEE Std.C57.12.00 de 2015 en las páginas 46, en la tabla 10. Se encuentra que para una tensión de 34.5 KV en AT la distancia mínima de separación entre partes vivas de aisladores es de 330 mm. De la misma forma para BT con un valor de 4.151 KV y dado que este no se encuentra en la Figura 1.12 se asume un valor más alto de 5.0 KV y la distancia mínima de separación es de 64 mm

min.time to flashover corregido = 2.3us * 0.821= 1.88 us. Para el caso de BT se tiene que: Onda recortada corregida = 66 KV * 0.821 = 54.12 KV min.time to flashover corregido = 2 us * 0.821= 1.642 us. 6.-Indique cómo se hace el ensayo de tensión inducida para este transformador según IEEE C57-12-00 de 2015. En la Norma se explica de manera concreta el procedimiento para el ensayo de tensión inducida pagina 31, 5.10.5.5 “induce voltage test for class I power transformer” donde se aclara que para este ensayo se debe desarrollar un voltaje en cada devanado de acuerdo con los niveles especificados en la tabla de la Figura 1.8, las pruebas de voltaje deben realizarse a 2 veces un voltaje nominal durante 7200 ciclos. Hay algunas excepciones en cuanto a limitaciones de pruebas de

Figura 1.12. Norma IEEE C57.12.00, página 46, Tabla .Separación mínima entre partes vivas de los aisladores.

10

Debido a que los datos de la Figura 1.10 están a una altitud de 1000 msnm se debe corregir para una altitud de 2850 msnm, existiendo un aumento en las distancias de 4% por cada 100 m y se encuentra un factor de corrección:

F actor de corrección = 0 .4% * (1850/100) = 0.074 distancia para AT = 0.0740 * 330 mm =24.42 mm distancia corregida para AT = 330mm + 24.42 mm =354.42 mm distancia para BT = 0.0740 * 64 mm =4.736 mm distancia corregida para BT = 64 mm + 4.736 mm =68.736 mm. 9.-¿Elaborar una placa de características para cada transformador monofásico según la información 5.12 y tabla 6 de la norma IEEE Std. C57.12.00-2015 ? . Segun la información de la Norma IEEE Std C57.12.00-2015, en la sección 5.12.2 se presenta la Figura 1.13, donde se especifica la placa característica a utilizar para transformadores monofásicos de 1 MVA. Según la norma corresponde a transformadores con capacidad nominal mayor a 500 KVA. Se anexa un documento donde se muestra la placa correspondiente a cada transformador monofásico.

Figura 1.13. Norma IEEE Std C57.12.00 de 2015, página 46, Tabla 6 .Información de la placa característica.

10.-¿Escoger la curva de fusibles indicadas en el anexo #8, el fusible par AT más adecuado para protección de banco trifasico contra sobrecargas y cortocircuitos secundario ? Teniendo en cuenta que los fusibles van conectados en las líneas y no en las fases de la delta, se debe calcular la corriente nominal de la línea , con los datos de AT nominales:

I l nominal =

Strifasico Línea línea*√3

=

3MV A 34.5 KV *√3

= 52.02 A

Una vez calculada la corriente nominal de la línea, se llena la tabla 1.2 con valores definidos en la Norma. Después de obtener los datos de (resultado en [A]) de la Tabla 1.2 que resultan de la multiplicación de n veces la corriente nominal, donde n son números dados. Estos datos obtenidos pasan a ser puntos de graficación del anexo #8 para la selección de Fusibles. n veces*Inominal línea [A]

resultado [A]

tiempo [s]

25*Inominal

1255.015

0.01

12*Inominal

602.40

0.1

6*Inominal

301.20

1

3*Inominal

150.60

10

Tabla 1.2, cálculos para selección de fusibles según Norma. En el anexo #8 se presenta una gráfica con la ubicación de los puntos, el fusible escogido según la Figura 1.14 es aquel más cercano a la línea recta por la derecha y es de 10 aunque también se puede escoger el 11.

CONCLUSIONES

Figura 1.14, Anexo 8, fusible escogido contra sobrecargas.

OBSERVACIONES Se debe tener en cuenta que el voltaje línea y el voltaje fase en conexiones estrellas son diferentes y esto podría ocasionar fallos en el análisis del ejercicios y problemas en los transformadores. se debe tener en cuenta que en las protecciones de dicho transformador se maneja una potencia trifásica, puesto que sino se puede quemar y ocasionar problemas en los transformadores.

Para los ensayos se debe tener en cuenta que no es necesario hacerlos tanto en alta como en baja, así mismo para la coordinación de aislamientos, según la norma y el ensayo que se quiera efectuar.

1. Las Normas IEEE nos permiten determinar cada parámetro que debemos tener en cuenta en el diseño de un transformador y nos permite llevar un transformador de un caso nominal con determinadas condiciones de servicio a otro, aprovechando los factores de corrección. 2. Comparando el punto 3 con el punto 4, en el cual se usa transformadores ONAN y ONAN/ONAF respectivamente, se puede ver que al usar ventiladores la potencia trifásica aparente es mayor que en el caso de los transformadores ONAN/ONAF se tiene mayor capacidad que el transformador ONAN, lo que nos lleva a concluir que para este caso de estudio, el tipo de refrigeración ONAN/ONAF es mejor. 3. La utilización de fusibles y la correcta determinación de las protecciones en las diferentes Zonas aseguran la vida del transformador. 4. Pudimos concluir que el contenido del curso y lo aprendido con la norma es de gran utilidad para entender cómo funcionan los transformadores de manera práctica, donde pudimos relacionarlo con la teoría. REFERENCIAS -

Norma IEEE Std C57.12.00, de 2015 . Norma IEC 60815 IEEE Std. C57.91-2011...