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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y COMUNICACIONES
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE SEÑALIZACIÓN PARA TRANSFORMADORES DE
POTENCIA (115/34.5 KV)
Trabajo de grado presentado en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al Titulo de Ingeniero Electricista
Autor: Rufino J. Peña S. Tutor Académico: Leonardo Zambrano
Tutor Industrial: Ing. Pedro Visual
Julio, 2003
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 2
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE SEÑALIZACIÓN, PARA TRANSFORMADORES DE
POTENCIA
Br.: Rufino Jesús Peña S.
El Trabajo de Grado titulado “Diseño e Implementación de un Sistema de
Señalización, para Transformadores de Potencia”, presentado por el Br.
Rufino Jesús Peña S., en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al
Título de Ingeniero Electricista, fue aprobado por el siguiente jurado
_______________________
Prof. Ramón Cáceres. Jurado
_______________________
Prof. Pedro Mora.
Jurado.
_______________________
Prof. Leonardo Zambrano. Tutor.
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 3
INDICE GENERAL
Página Aprobación.......................................................................................................i Índice general..................................................................................................ii Lista de Tablas...............................................................................................iv Lista de Figuras..............................................................................................v Resumen del Trabajo....................................................................................vii
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 4
LISTA DE TABLAS
Página
CAPITULO II
2.1.- Valor constante k, de acuerdo al Bulbo del transductor...... 15 2.2.- Corriente de Bobina calefactora e incremento de Temperatura. 19
CAPITULO III
3.1.- Corriente de entrada al Toroide vs. Corriente de salida..... 30 3.2.- Palabra digital transductor de nivel..................................... 37 3.3.- Funciones del sistema de señalización en recepción de datos.................................................................................... 59
ANEXO1
4.5.1.- Variación de voltaje de salida acondicionada del
transductor de temperatura (LM335), en función de la temperatura patrón.............................................................. 75
4.5.2.- Variación de voltaje de salida acondicionada del transductor electromagnético de corriente, en función de la temperatura patrón.......................................................... 77
ANEXO3
(Microcontroladores)
4.7.1.- Características relevantes del Pic16F877 ante las del Pic16F84A........................................................................... 100
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 5
CAPITULO I
ASPECTOS GENERALES DE CADELA
1.1.- Compañía Anónima Electricidad de los Andes (CADELA)........................................................................... 1 1.2.- Organigrama Área de Transmisión..................................... 3
CAPITULO II
TRANSFORMADOR Y DESCRIPCIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS 2.1.- El Transformador............................................................... 4
2.1.1.- Partes y Componentes del Transformador......................... 6 2.1.2.- Materiales componentes.................................................... 9 2.1.3.- Accesorios.......................................................................... 11
2.2.- Imagen Térmica como proceso interno del transformador 12 2.3.- Diseño Instrumento Digital.................................................. 18
CAPITULO III DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRONICO
3.1.- Descripción del Sistema Transmisor................................... 22
3.1.1.- Circuito Transmisor de Datos a través del Pic16F84.......... 22 3.1.2.- Etapas del Sistema Transmisor.......................................... 23
3.1.2.1.- Primera entrada analógica.................................................. 23 3.1.2.2.- Segunda entrada analógica................................................ 27 3.1.2.3.- Señales digitales................................................................. 32 3.1.2.4.- Tercera señal: Niveles de Aceite del Transformador.......... 36 3.1.2.5.- Cuarta señal: Activación de Relé de protección................. 38
3.1.3.- Diagrama de Bloque del Sistema en General..................... 42 3.1.4.- Diagrama de Bloque circuital ilustrativo del sistema
transmisor............................................................................ 43 3.1.5.- Entradas/Salidas analógicas - digitales procesadas por el
microcontrolador PIC16F84................................................ 44 3.1.6.- Pasos en forma detallada del proceso de Transmisión de
datos.................................................................................... 46 3.1.7.- Diagrama de Flujo en la Transmisión de datos.................. 48 3.1.8.- Gráficas de todas las salidas del Microcontrolador............. 49
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 6
3.1.9.- Canal de Comunicación (Fibra Óptica)............................... 54 3.1.9.1.- Fibra Óptica: Aplicaciones, ventajas y desventajas............ 55
3.2.- Descripción del Sistema Receptor...................................... 58 3.2.1.- Dibujo del Panel o Caseta................................................... 59 3.2.2.- Esquema circuital del sistema receptor........................... 61 3.2.3.- Pasos que se siguen en el sistema de recepción de datos 62 3.2.4.- Diagrama de Flujo del Sistema Receptor............................ 65
CAPITULO IV
RESULTADOS OBTENIDOS EN EL DISEÑO DEL SISTEMA
4.1.- Resultados Generales........................................................ 66 4.2.- Conclusiones...................................................................... 70 4.3.- Recomendaciones.............................................................. 73 4.4.- Referencias Bibliográficas.................................................. 74 4.5.- Anexo1................................................................................ 75 4.6.- Anexo2................................................................................ 78 4.7.- Anexo3................................................................................ 90
4.7.1.- El Microcontrolador PIC16F84.......................................... 90 4.7.1.1.- Descripción y funcionamiento de los pines......................... 91
4.7.2.- El Microcontrolador PIC16F877........................................ 93 4.7.2.1.- Características Principales................................................. 94 4.7.2.2.- Descripción de las Puertas de entrada / salida.................. 96
4.7.3.- Diferencias y semejanzas entre la familia pic16F877 y 16F84............................................................. 99 4.8.- Anexo4................................................................................ 102
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 7
LISTA DE FIGURAS
Página
CAPITULO I 1.1.- Organigrama del Área de Transmisión C.A.D.E.L.A. – Barinas................................................................................ 3
CAPITULO II 2.1.- Transformador de potencia y sus partes............................. 5 2.2.- Esquema de Imagen Térmica1........................................... 14 2.3.- Esquema de Imagen Térmica2........................................... 14 2.4.- ∆T en función de la corriente del devanado........................ 15 2.5.- Modelo circuital de temperatura1....................................... 16 2.6.- Modelo circuital de temperatura2....................................... 17 2.7.- Esquema desde transformador de potencia hasta
indicador de temperatura.................................................... 17
CAPITULO III 3.1.- Esquema Ilustrativo Transformador - Sala de Mando........ 21 3.2.- Circuito variación en mV por °C.......................................... 23 3.3.- Acondicionamiento de la señal analógica (temperatura).... 24 3.4.- Grafica de temperatura vs. Tensión.................................... 25 3.5.- VOUT (señal analógica) hacia el Convertidor A/D.............. 26 3.6.- Circuito de acondicionamiento de corriente de devanado 29 3.7.- Transformador de corriente con relación 5 A / 50 mA........ 30 3.8.- Grafica de temperatura vs. Tensión. Vo2............................ 31 3.9.- Cambio de canal del Convertidor por Contador (Biestable)........................................................................... 33 3.10.- Circuito de E/S (analógicas y digitales) al convertidor 0808.................................................................................... 34 3.11.- Circuito Biestable para el cambio de canal convertidor..... 35 3.12.- Esquema ilustrativo del montaje de sensores de nivel de Aceite.................................................................................. 36 3.13.- Niveles de Aceite digitales.................................................. 37 3.14.- Configuración de Flip-Flop J-K ante pulso de disparo........ 39 3.15.- Diagrama de Temporización actuación de Relé de protección1.......................................................................... 40 3.16.- Diagrama de Temporización actuación de Relé de protección2.......................................................................... 41 3.17.- Diagrama de Bloque tanto del sistema transmisor como receptor............................................................................... 42
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 8
3.18.- Esquema con los principales integrados usados en el sistema................................................................................ 43 3.19.- Diagrama de Flujo del sistema Transmisor......................... 48 3.20.- Salidas Puerta A en el circuito Transmisor....................... 50 3.21.- Diagrama de Temporización de señales procesadas en el circuito transmisor............................................................... 52 3.22.- Acople de terminales con la fibra óptica.............................. 57 3.23.- Panel Frontal de Presentación de Eventos......................... 60 3.24.- Esquema circuital del sistema receptor............................... 61 3.25.- Diagrama de Flujo del proceso de recepción de datos....... 65
CAPITULO IV
4.1.- Circuito Transmisor – Transformador de potencia (Circuito1)............................................................. 68 4.2.- Circuito Receptor - Sala de Mando (Circuito2).................... 68 4.3.- Canal de Comunicación (fibra Óptica)................................ 69 4.4.- Circuito completo (Tx, Rx, Fibra óptica).............................. 69
ANEXO2
(Especificaciones)
4.6.1.- Convertidor ADC0808......................................................... 79 4.6.2.- Circuito Biestable (contador).............................................. 80 4.6.3.- Buffer 74LS244................................................................... 83 4.6.4.- Flip-Flop J-K........................................................................ 84 4.6.5.- 74LS04................................................................................ 85 4.6.6.- Circuito Integrado 555......................................................... 86 4.6.7.- Circuito Integrado 556......................................................... 87 4.6.8.- PIC16F877......................................................................... 88 4.6.9.- PIC16F84............................................................................ 89
ANEXO3
(Microcontroladores )
4.7.1.- Circuito Integrado PIC16F84 y sus pines........................... 90 4.7.2.- Circuito Integrado PIC16F877 y sus pines......................... 93
ANEXO4
4.8.1.- Digitalización directa entrada analógica del transductor de
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 9
corriente.............................................................................. 102 4.8.2.- Configuración y temporización del monoestable 555.......... 103 4.8.3.- Circuito Electrónico Completo en AUTOCAD.................... 104
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 10
RESUMEN
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
SEÑALIZADOR, PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Br. RUFINO JESUS PEÑA S.
Tutor: Prof. Leonardo Zambrano
La Señalización y el control de fallas en maquinarias industriales de uso
frecuente, se ha visto facilitado con la aparición de la inteligencia artificial, y
dispositivos electrónicos integrados especialmente diseñados para el control de
procesos. A modo de ejemplo, los microcontroladores, dispositivos de gran
flexibilidad, pueden ser usados en los campos más variados; desde el diseño de una
alarma para el hogar hasta el control de procesos de producción. Mediante este
proyecto se pretende diseñar e implementar un sistema de protección y señalización
para transformadores de potencia. En este proyecto se emplearon dos
microcontroladores; para controlar el funcionamiento del sistema en general. El
diseño cuenta con una etapa de transmisión de datos serialmente, en la cual se
incluye: señales analógicas(sensor de temperatura, sensor electromagnético de
corriente), y digitales como niveles de aceite, activación de relé causada por una
falla interna del transformador de potencia. La otra etapa es de recepción de estos
datos, para finalmente ser procesados . El punto central, es la recopilación de toda
esta información en forma digital sobre un panel electrónico en recepción. Como medio de transporte de los datos ó canal de comunicación es usada la fibra óptica,
ya que este medio es inmune al ruido, al cual estará expuesto el diseño
severamente. La elaboración de este proyecto sirve para mejorar el mantenimiento,
supervisión en transformadores y de esta manera cada planta o subestación
eléctrica podrá contar con un servicio más rápido y eficiente, evitando un trabajo
engorroso por parte de los operadores y técnicos. La supervisión se ejecuta cada
cierto tiempo automáticamente, por lo que ahorraría trabajo en ese sentido. También
permitiría ahorrar tiempo, dinero inclusive, y fácil manejo de información.
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 11
CAPITULO I
1.- ASPECTOS GENERALES DE C.A.D.E.L.A
1.1.- Compañía Anónima de Electricidad de los Andes (CADELA).-
C.A.D.E.L.A.; tiene como misión administrar la energía eléctrica de la zona
andina de manera descentralizada. Se creó con el fin de atender
requerimientos del servicio eléctrico de los estados Táchira, Mérida, Trujillo y
Barinas. Los proyectos de electrificación y las prestaciones del servicio,
estarán sujetos a las necesidades manifiestas de la comunidad. La
contratación de obras favorecerá a las empresas locales, estimulando así el
desarrollo de las zonas, creando nuevas fuentes de trabajo. Los ingresos
recibidos serán administrados por C.A.D.E.L.A invertidos en proyectos
locales.
Para suplir la creciente demanda de electricidad que se requiere
actualmente es necesario que existan empresas que se encarguen de
generarla, transmitirla, distribuirla y comercializarla, una de estas empresas
es C.A.D.E.L.A. La empresa se encarga de transmitir, distribuir y
comercializar energía a la población de manera eficiente y confiable, por esto
la empresa se divide en varias coordinaciones entre las cuales se encuentra
la de Transmisión.
El área de Transmisión de energía eléctrica, es muy importante porque
permite reducir las altas tensiones(en este caso 115 KV desde las plantas
generadoras), hasta 34.5/13.8 KV, para finalmente distribuirla a los centros
poblados. Por lo tanto se deben tener en cuenta todos aquellos factores que
puedan causar interrupciones en la transmisión del servicio, de allí la
Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA 12
necesidad de la empresa de diseñar un sistema de supervisión automático
que estaría ubicado en la sala de mando u operaciones, con el fin de evitar
interrupciones de servicio, por lo que es necesario realizar un buen
mantenimiento de los sistemas de transmisión a través de la supervisión
continua, tanto de las líneas de transmisión, así como de las subestaciones
reductoras de tensión y los equipos que en ellas se encuentran.
En la empresa energía para Venezuela CADELA, requieren de sistemas
automatizados electrónicamente, orientados al cuidado preventivo del
personal de labor; obreros, operadores, y personal que de una u otra forma
esté en constante o periódica permanencia dentro de las instalaciones de la
subestación (S/E) respectiva.
La elaboración del proyecto puede ser muy fructífero en cuanto a costos, y
demás al cuidado y ahorro de trabajo por parte de los operadores y técnicos.
La idea general en este caso es establecer la forma de extraer los
parámetros (temperatura de aceite, temperatura del devanado y nivel de
aceite) del Transformador. También hacer señalizaciones de un conjunto de
protecciones propias del transformador, pero en forma digital y desde la sala
de mando. En la figura 1.1, se muestra un organigrama del sistema de
transmisión, y el área de Mediciones y Protecciones, donde está orientado el
desarrollo del proyecto (diseño electrónico de un sistema de supervisión).
Este organigrama es presentado en orden jerárquico, desde el gerente de
Transmisión hasta los obreros de cuadrillas.
El área de mediciones y protecciones se encarga de vigilar cada uno de
los instrumentos de medición y dispositivos de protección de los equipos que
se encuentran en las subestaciones con el fin de optimizar el servicio.
Figura 1.1.- Organigrama del Área de Transmisión C.A.D.E.L.A - Barinas
Capitulo III.- Sistema Transmisor 25
CAPITULO II
2.- TRANSFORMADOR DE POTENCIA (Características)
2.1.- El Transformador :
Es una máquina estática la cual mediante inducción electromagnética
transforma tensiones y corrientes eléctricas alternas o pulsantes entre dos o
más devanados a las misma frecuencia y, usualmente, a valores diferentes
de tensión y corriente.
La identificación básica de un transformador está constituida por su
potencia nominal, la tensión primaria o sea la que se aplica al transformador,
la tensión secundaria que es la obtenida en los bornes de salida cuando el
transformador funciona sin carga y el grupo de conexión. Generalmente la
potencia se expresa en kVA o MVA.
Los transformadores de potencia son herméticos, no permitiendo
intercambio significativo entre su interior y la atmósfera externa. Si el núcleo
y los devanados no están sumergidos en un líquido aislante y refrigerante, se
trata de un transformador tipo seco. Los transformadores como máquina para
acople de tensiones, presentan distintos diseños.
En relación con el tipo de medio aislante y refrigerante se clasifican
generalmente en transformadores sumergidos en aceite con ventilación
natural (ONAN), o ventilación forzada (ONAF), esta última aplicable, por
Capitulo III.- Sistema Transmisor 26
costos a transformadores con potencias superiores a 2000 kVA. Se tienen
también transformadores OFAF; en los que por medio de bombas exteriores
el aceite circula forzadamente a través de radiadores independientes,
ventilados adecuadamente.
Los transformadores en aceite son aptos para colocación en intemperie y
los secos para ubicación en interiores.
CARACTERÍSTICAS DEL TRANSFORMADOR DE POTENCIA 115/34.5 Kv.-
Figura 2.1.- Transformador de potencia y sus partes
Capitulo III.- Sistema Transmisor 27
2.1.1.- PARTES Y COMPONENTES DEL TRANSFORMADOR .-
Núcleo: Está formado por chapas delgadas de hierro magnético al silicio, de
grano orientado laminado en frío, con alta permeabilidad y aislamiento
inorgánico en ambas caras o superficie. En todos los transformadores el
núcleo es asegurado por una estructura de prensado que permite reducir las
corrientes de excitación, las vibraciones y el nivel de ruido, evitando el
consecuente calentamiento por dicho fenómenos. Es de grosor mínimo para
disminuir las pérdidas de facoult. Una vez instalado en el tanque, se conecta
a tierra para evitar la presencia de tensiones capacitivas.
Devanados: Los devanados de alta tensión (A.T.) y de baja tensión (B.T.) de
los transformadores se construyen con conductores redondos, rectangulares,
barras o flejes de cobre electrolítico, material que presenta la mejor
conductividad después del oro y la plata. Ambos devanados están provistos
de canales de refrigeración para la libre circulación del aceite y están
aislados con papel de tipo presspan, revestido con resina epoxica
termoestable que pega íntegramente el papel al cobre del devanado
formando un conjunto muy resistente a desplazamientos, lo cual permite
después del secado, obtener una adecuada resistencia al cortocircuito. El
devanado de A.T. consta de varias secciones separadas que permiten una
gran seguridad en el aislamiento, al tiempo que dejan canales de
refrigeración para una eficiente disipación del calor. Los aislamientos se
caracterizan por su elevada rigidez eléctrica, resistencia a altas temperaturas
y especialmente por su aptitud para trabajar en aceite. El aislamiento de las
primeras y últimas capas de las bobinas está reforzado con el fin a resistir
cargas estáticas permanentes y sobretensiones causadas por ondas
Capitulo III.- Sistema Transmisor 28
errantes, frentes de onda, descargas atmosféricas o por la conexión y
desconexión del transformador.
Parte Activa: Los devanados y núcleo están unidos en una estructura
llamada “parte activa”. Este conjunto se encuentra inmovilizado dentro del
tanque del transformador evitando que las vibraciones producidas durante el
transporte lo afecten y los esfuerzos mecánicos que aparecen en caso de
cortocircuito puedan causar desajustes o deformación de las bobinas.
En los transformadores trifásicos serie 15 kV superiores a 8000 KVA y en
los transformadores serie 34.5 kV la parte activa está fija a la tapa del
transformador y el conjunto se apoya en el fondo del tanque, inmovilizándose
por medio de unas escuadras de guía. En los transformadores trifásicos serie
15 kV hasta 8000 kVA inclusive, la parte activa descansa totalmente en el
fondo del tanque sin tener unión alguna con la tapa.
Tanque principal: Está conformado por chapas lisas de acero laminadas en
frío y con bajo contenido de carbono, soldadas entre sí con refuerzos que
admiten presión y vacío de 0.65 kg / cm2. Las soldaduras utilizadas en las
uniones de los tanques presentan excelente comportamiento mecánico a la
tracción e impacto y su elasticidad y dureza garantizan la resistencia a altas
presiones. Cuando la superficie de radiación del tanque no es suficiente para
disipar las pérdidas de energía generada en el transformador, se disponen
en las caras laterales intercambiadores de calor consistentes en radiadores
planos del tipo oblea fabricados en lámina Cold Rolled de 0.8 mm.
Conmutador de derivaciones: Para compensar las variaciones de tensión
en la red se proveen normalmente los transformadores con taps colocados
en el lado de A.T., conmutables por medio de un selector para operación
exterior y con el transformador desenergizado. El conmutador posee 6
contactos por fase, lo que permite obtener cinco relaciones de
Capitulo III.- Sistema Transmisor 29
transformación diferentes en forma rápida y segura. Los conmutadores son
fabricados en procolite con contactos de cobre y perilla de accionamiento en
aluminio.
Tanque de expansión: Es un recipiente denominado conservador colocado
transversalmente en los transformadores, que de esta manera, la
comunicación al tanque principal se efectúa por medio de un tubo de sección
circular firmemente soldado a la tapa, que permite incorporar un relé
Buchholz (relé liquido de mercurio; que permite el contacto de dos
conductores cuando cambia de posición vertical a horizontal, debido a
presión interna en el transformador). Cuando la disposición del tanque de
expansión es longitudinal la unión se hace a través de dos tubos que sirven
al mismo tiempo para sostener el conservador. En este caso no hay
posibilidad de incorporación del relé Buchholz. En los transformadores
monofásicos, el conservador se reemplaza por un colchón de aire en el
tanque principal (ejecución sellada).
Tanto el tanque de expansión como el colchón de aire están
dimensionados en forma tal que permiten una variación del volumen
contenido de aceite para temperaturas entre 20 °C y 95 °C. El conservador
de aceite posee en una de las tapas laterales un indicador de nivel de aceite
tipo visor con marcaciones a 20 °C. Además tiene dispositivos para purga de
aceite. En la parte superior hay un orificio con su respectiva tapa que facilita
la salida y entrada de aire. Permite igualmente la salida a los gases que
ocasionalmente se forman y sirve además para llenar de aceite al
transformador. En caso de usar el secador de aire, este orificio se debe
taponar.
Capitulo III.- Sistema Transmisor 30
Pasatapas: Está constituida por material aislante de porcelana sólida,
homogénea, libre de cavidades para evitar mermas en la resistencia
mecánica y/o calidad dieléctrica, completamente vitrificada e impermeable, y
para el sellado entre tanque y herrajes se emplean empaques de caucho
sintético, resistente al aceite y la intemperie. El esmaltado está libre de
imperfecciones. Los conectores de los pasatapas permiten la fácil conexión
de los cables de acometida, sin importar que estos sean de cobre o de
aluminio. En todos aquellos transformadores que tienen acceso al neutro, el
BUJE correspondiente es idéntico al utilizado en las fases, diseñándose para
la misma clase de voltaje y capacidad de corriente.
2.1.2.- MATERIALES COMPONENTES
Aislante Líquido: Se emplea para aislamiento y refrigeración el aceite
mineral con baja viscosidad (para una buena transferencia de calor), alta
rigidez dieléctrica, bajo factor de potencia, ausencia de ácidos inorgánicos,
álcalis y azufre corrosivo (para prevenir un deterioro en los aislamiento y
conductores), resistencia a la oxidación y a la formación de lodos,
resistencia a las emulsiones con agua y un bajo punto de congelación.
Las siguientes son algunas características:
Físicas: Color ≤ 0.5; punto de inflamación ≥ 145°C; tensión interfacial a 25
°C ≥ 40 dinas / cm, punto de fluidez ≤ -30 °C, gravedad específica a 15 °C /
15 °C entre 0.865 y 0.91.
Eléctricas: Rigidez dieléctrica ≥ 240 kV/cm; factor de potencia a 100 °C ≤
0.5% para distribución y ≤ 0.3 % para potencia.
Químicas: Contenido de agua ≤ 20 p.p.m.; N° de neutralización ≤ 0.025 mg
KOH/g, contenido en inhibidores ≤ 0.3 %, estabilidad a la oxidación 72 horas
Capitulo III.- Sistema Transmisor 31
≤ 0.10 % lodo máximo por masa y N° de acidez total 0.3 mgKOH/gr, de
aceite.
Aislantes sólidos: Soportan la máxima temperatura en el punto más
caliente de los devanados. El papel aislante empleado es del tipo aislante
con resina epóxica, Kreep, Kraft (sulfato de celulosa). El esmalte de los
conductores posee alta resistencia al resquebrajamiento, se aplica a una
capa y al requerir un mayor aislamiento se envuelve en papel aislante.
Herrajes: Son los elementos que permiten la conexión al transformador de
los cables y/o barajes de acometida, generalmente de cobre y se galvanizan
en caliente ó se zincan, según diseño.
Pintura: El tipo de pintura depende del sitio de instalación del
transformador, empleándose alquídica para distribución y epóxica para
potencia y sitios agresivos y/o muy salinos; las pinturas y esmaltes son
sintéticos. La pintura anticorrosiva es alquídica, de color rojo, con pigmentos
de óxido de hierro, carbón black y cromato de zinc. Se recomienda un
espesor de 120 micras. El esmalte alquídico empleado para el acabado tiene
magnífico brillo, nivelación y dureza que lo hace apto para operar en
atmósferas medianamente agresivas. La pintura epóxica se aplica en capas
de 150 micras. El método de limpieza de los equipos, antes de la pintura, es
por chorro de arena.
Empaques: Se fabrican en caucho sintético Acrilo-Nitrilo-Butadieno (NBR)
apto especialmente para aplicaciones que requieran resistencia a los aceites
derivados del petróleo, sin llegar a contaminarlos. Posee buena resistencia a
los ácidos y las bases, excepto cuando tengan fuerte efecto oxidante. Tiene
buena resistencia al envejecimiento térmico, bajo arrastre, buena resiliencia
Capitulo III.- Sistema Transmisor 32
(resistencia a la rotura por choque), baja deformación permanente y buena
resistencia eléctrica y a la abrasión. La densidad es de 1,15 a 1,45 g/cm3, el
grado de dureza es de 70 ° Shore A.
Placas de características: Se fabrican en acero inoxidable con marcaciones
comunes grabadas y especiales. Impresas con lápiz vibrador. Ej: N° del
transformador.
2.1.3.- A C C E S O R I O S
Dispositivo de purga y toma de muestras de aceite: Está ubicado en la
parte inferior del tanque y se protege con una tapa metálica roscada. Cuando
ésta se quita, permite el flujo del aceite al exterior del transformador.
Tornillos de puesta a tierra del tanque: Con ellos se puede aterrizar el
transformador. Se proveen de conectores cadmiados tipo grapa.
Indicador de nivel de aceite: Permite conocer si la cantidad de aceite del
transformador está en su punto. La marca se hace con referencia a 20 °C. En
los transformadores monofásicos es interior y en los trifásicos exterior del tipo
visor con acrílico.
Radiadores: Se emplean cuando la superficie de radiación del tanque no es
suficiente para evacuar las pérdidas por calor del transformador. Vienen
fijamente soldados al tanque, conformando baterías del mismo ancho. La
cantidad de baterías y su longitud depende de cuánto calor a evacuar.
Dispositivo de levantamiento: Se emplean para izar el transformador para
su desplazamiento. Los hay del tipo oreja, del tipo paral y del tipo anillo
dependiendo del transformador (potencia VA). Están ubicadas en las
paredes laterales del tanque.
Ruedas orientables: Para el transporte de los transformadores. Las ruedas
se pueden girar y, salvo solicitud expresa, no poseen pestaña.
Estuche para termómetro: Sirve para atornillar termómetros de carátula.
Capitulo III.- Sistema Transmisor 33
Válvulas de recirculación de aceite: Para la conexión a equipos de filtro
prensado. Son del tipo globo de 1” diámetro y se ubican transversalmente en
el tanque, una en su parte superior y la otra en la parte inferior opuesta.
Hueco de inspección en la tapa: Para transformadores sellados(colchón
de aire). Permite el llenado de aceite.
Gargantas: Para colocación de cajas metálicas protectoras de pasatapas de
alta y baja tensión o para acoples de ductos de barras.
Caja de Bornes: Para uso exterior para la conexión de los cables de control
de los aparatos de protección y señalización incorporados al transformador.
Ventiladores: Con su respectivo tablero de control para ejecuciones con
refrigeración ONAN / ONAF. Para ejecuciones “futuro ONAF” se disponen los
radiadores en forma al que una posterior colocación de los ventiladores se
efectúe sin problema alguno.
2.2.- IMAGEN TERMICA COMO PROCESO INTERNO DEL
TRANSFORMADOR DE POTENCIA 115/34.5 KV.
Imagen térmica: La utilidad de un transformador depende definitivamente de
las exigencias térmicas que se hagan a los aislantes de las bobinas. Debido
a ello, la supervisión de la temperatura del arrollamiento, que es función en
cada caso de las condiciones de refrigeración y la carga de corriente, tiene
fundamental importancia para la seguridad de servicio del transformador.
Dado que una medición directa de la temperatura del arrollamiento de un
transformador en aceite sería demasiado costosa y representaría un origen
de falla para todo el transformador, se emplea para el control de servicio un
método indirecto, la imagen térmica, que emula la temperatura media o
máxima del arrollamiento en cada caso, también ante variaciones de carga
de corta duración. Con ello se puede aprovechar ampliamente la capacidad
de carga del transformador, frente a sobrecargas transitorias.
Capitulo III.- Sistema Transmisor 34
La temperatura del aceite sigue a la temperatura del
arrollamiento tan lentamente que un calentamiento peligroso
del arrollamiento se reconocería demasiado tarde o no se
advertiría.
La imagen térmica; está constituida por un porta bobina metálico en el
cual se introduce una sonda de temperatura del termómetro de resistencia
con contactos, estableciéndose una muy buena conducción de calor. Sobre
el porta bobina se ubica un arrollamiento calefactor o de caldeo conectado a
un transformador de corriente. La constante de tiempo(K) y el gradiente de
temperatura(dT), el conjunto “bobina-aceite” expresan con gran aproximación
los valores de temperatura correspondientes a la bobina del transformador.
Si se hace con el instrumento mecánico, entonces el sistema de medida
incluye una resistencia de calentamiento diseñada de forma especial para
tener en cuenta el efecto de la carga del transformador. De esta forma se
obtiene una imagen térmica de la temperatura del devanado. Se conecta la
resistencia de calentamiento al transformador de corriente o intensidad (TC)
a través de una resistencia adaptadora o una unidad adaptadora (con esta
resistencia o adaptador podemos calibrar la intensidad que circula por la
resistencia de calentamiento y esta calibración sólo es posible si se conoce
la relación entre la carga y el gradiente). El gradiente indica la diferencia
entre las temperaturas del devanado y del aceite en la parte superior del
transformador. Y se obtiene en un ensayo de calentamiento y la señal
proporcionada por el transformador de corriente (TC). Las figuras 2.2 y 2.3
muestran algunos aspectos mencionados anteriormente: Ambos tienen el
mismo principio.
Capitulo III.- Sistema Transmisor 35
Figura 2.2.- Esquema de Imagen Térmica1
Figura 2.3.- Esquema de Imagen Térmica2
Cálculo del Gradiente (dT):
Condiciones de prueba:
Temperatura del bulbo: 60 °C ( se supone que es igual que la temperatura
máxima del aceite).
Medidas efectuadas estando la tapa colocada y después de transcurridos
30 minutos como mínimo después de haberse estabilizado el valor de la
intensidad.
3. Resistencia de calentamiento. 4. Transformador de Intensidad ó corriente (TC). 5. Unidad adaptadora. 6. Resistencia adaptadora.
Capitulo III.- Sistema Transmisor 36
Siendo dT = k*I2 (precisión ±5%)
dT: Gradiente (devanado-aceite) °C.
K = constante depende del tipo de bulbo. (ver tabla 2.1)
I = intensidad en la resistencia de calentamiento (proporcionada por el
transformador de corriente).
Tabla 2.1.- Valor constante(k) de acuerdo al bulbo transductor
Tipo de bulbo Valor de “K” 11, 12, 15, 18 20,5
16 23,0 19 22,2
22,2 La gráfica 2.4 muestra el incremento de temperatura(dT) del devanado
cuando varía la carga en el transformador de potencia.
Figura 2.4.- ∆T en función de la corriente del devanado.
Capitulo III.- Sistema Transmisor 37
El calor disipado por el devanado de B.T. dentro del transformador se
interpreta como perdidas por efecto joule expresado en vatios. Este calor
mediante un proceso natural de convección, se transmite al aceite y
posteriormente se disipa en el ambiente (aire). De allí la interrelación entre la
temperatura del aceite medida directamente por el transductor, y el
incremento de temperatura(dT) producida por efecto de la corriente de
devanado.
El microcontrolador es utilizado para ejecutar dicha interrelación. Los
cambios de temperatura que ocurren internamente en el transformador
(denominado cuba), también es expresado como un modelo circuital, donde
cada sector (fig.2.5) presenta una variación de temperatura al variar la
corriente en el devanado pero expresado en términos de potencia disipada
(Ecuación 2.1). Este modelo circuital puede ser simplificado (fig.2.6) si se
conoce la temperatura de ambiente, y mas aún si está determinado la
temperatura del aceite. De esta manera solo resta conocer la resistencia
térmica de devanado, sumarlo a temperatura de aceite para finalmente
conocer la temperatura de devanado.
Figura 2.5.- Modelo circuital de temperatura1
Capitulo III.- Sistema Transmisor 38
RTx; resistencia térmica [ °C / W ]. T; temperatura [°C].
Análisis de esta figura:
Se asume que la temperatura del ambiente es conocida (ej: 32 °C), por lo
que la figura sería:
Figura 2.6.- Modelo circuital de temperatura2
Conocida la RTdev y la potencia activa (P) generada por el devanado se
conoce Tdev = P * RTdev + Taceite è se puede decir que el gradiente de
temperatura de devanado ∆T es:
∆T = P*RTdev = k* I2 ; k = R*Rtdev. (Ecu. 2.1)
La figura 2.7, muestra las etapas que definen el proceso de imagen térmica,
especificado en las figuras 2.2 y 2.3 anteriores:
Figura 2.7.- Esquema desde transformador de potencia hasta indicador de
temperatura
Capitulo III.- Sistema Transmisor 39
Como se puede observar diagrama figura 2.7; tiene como punto inicial la
corriente de devanado de B.T.(corrientes de alrededor de 800 A), que es
reducida mediante el transformador de corriente a niveles entre 0- 5 A.
Niveles que pueden ser utilizadas por los aparatos de medidas en las
subestaciones, para medir los parámetros tales como factor de potencia,
potencia activa, voltaje, temperaturas, etc.
El transformador de corriente auxiliar es el principio de diseño del detector
de temperatura del punto caliente del arrollamiento a través del concepto de
imagen térmica. Este transformador reduce aún mas la corriente, al orden de
los miliamperios, y en este rango permite usarlo para el funcionamiento del
aparato de medida de temperatura (indicador de Temp. del arrollamiento).
Es importante destacar que el transformador de corriente auxiliar que
normalmente se utiliza para producir la corriente necesaria para que el
indicador analógico detecte la temperatura de devanado o arrollado; posee
derivaciones (variación del número de vueltas), que permiten definir la
relación de la elevación de temperatura máxima contra la corriente de
entrada en el arrollado; es decir, consigue variar el delta de temperatura a
través de las derivaciones. En la figura 2.7 anterior, se define básicamente el
principio del diseño que corresponde a la parte digital del desarrollo de este
proyecto.
2.3.- Diseño Instrumento digital:
A partir de los puntos A y B del diagrama (fig.2.7), comienza el diseño del
circuito para la toma digital de la temperatura de devanado. Para el
transformador auxiliar de corriente, se aplicó el mismo principio; usando un
toroide electromagnético cuya relación es de 1:100, y no tiene derivaciones,
esto implica que para el diseño se tomará en cuenta lo siguiente:
Capitulo III.- Sistema Transmisor 40
La corriente de bobina calefactora en Amperios es igual a la corriente
inductora del transformador, esto implica una relación de transformación
de corriente igual a la unidad (n= 1), y los valores obtenidos fueron
llevados a la tabla1 (ver programa .ASM) del microcontrolador de
recepción de datos(PIC16F877). Mas detalles en la tabla 2.2 (Tabla
obtenida en manual de instrucciones-CADELA Barinas).
Tabla 2.2- Corriente del Transformador, Corriente de Calefacción y
subida de temperatura con n =1.
Corriente transformador
(A)
Corriente de bobina
calefactora (mA)
Subida de temperatura
en el detector térmico,
con respecto a la Temp..
máxima del aceite
(°C)
2.00 2.00 5
2.25 2.25 8
2.50 2.50 11
2.75 2.75 14
3.00 3.00 17
3.25 3.25 20
3.50 3.50 23
3.75 3.75 26
4.00 4.00 28
4.25 4.25 31
4.50 4.50 34
4.75 4.75 37
5.00 5.00 40
Capitulo III.- Sistema Transmisor 41
Si la relación n = 1, entonces la corriente en el punto A es igual a la
corriente del punto C, y esta corriente en mA es la usada para manejar los
dispositivos electrónicos que harán el registro de temperatura analógica o
digitalmente. La simulación que se llevará a cabo en el desarrollo del
proyecto simplemente tomará los valores de corriente en la salida del
transformador auxiliar (punto C), o asumiendo que la corriente en el punto A
es idéntica a la del punto C (n=1). La relación de corriente viene dada por la
siguiente ecuación:
....................21................211
12....12 InIN
NnI
INNn ∗=⇒==→= .(Ecu. 2.2)
Esta ecuación permite obtener los valores de corriente del transformador
(punto A, fig 2.7) a partir de la corriente de la bobina calefactora (punto C),
cuando la relación de transformación de corriente sea diferente a la unidad.
El diseño del instrumento digital, se observará con mas detalles en
capítulos posteriores, a partir del capitulo III.
