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

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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.

_______________________ Prof. Leonardo Zambrano. Tutor.

Jurado.

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 2.1.2.2.-

Valor constante k, de acuerdo al Bulbo del transductor...... Corriente de Bobina calefactora e incremento de Temperatura.

15 19

CAPITULO III 3.1.3.2.3.3.-

Corriente de entrada al Toroide vs. Corriente de salida..... Palabra digital transductor de nivel..................................... Funciones del sistema de señalización en recepción de datos....................................................................................

30 37 59

ANEXO1 4.5.1.-

4.5.2.-

Variación de voltaje de salida acondicionada del transductor de temperatura (LM335), en función de la temperatura patrón.............................................................. Variación de voltaje de salida acondicionada del transductor electromagnético de corriente, en función de la temperatura patrón..........................................................

75 77

ANEXO3 (Microcontroladores) 4.7.1.-

Características relevantes del Pic16F877 ante las del Pic16F84A...........................................................................

100

Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA

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CAPITULO I ASPECTOS GENERALES DE CADELA 1.1.1.2.-

Compañía Anónima Electricidad de los Andes (CADELA)........................................................................... Organigrama Área de Transmisión.....................................

1 3

CAPITULO II TRANSFORMADOR Y DESCRIPCIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS 2.1.2.1.1.2.1.2.2.1.3.2.2.2.3.-

El Transformador............................................................... Partes y Componentes del Transformador......................... Materiales componentes.................................................... Accesorios.......................................................................... Imagen Térmica como proceso interno del transformador Diseño Instrumento Digital..................................................

4 6 9 11 12 18

CAPITULO III DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRONICO 3.1.3.1.1.3.1.2.3.1.2.1.3.1.2.2.3.1.2.3.3.1.2.4.3.1.2.5.3.1.3.3.1.4.3.1.5.3.1.6.3.1.7.3.1.8.-

Descripción del Sistema Transmisor................................... Circuito Transmisor de Datos a través del Pic16F84.......... Etapas del Sistema Transmisor.......................................... Primera entrada analógica.................................................. Segunda entrada analógica................................................ Señales digitales................................................................. Tercera señal: Niveles de Aceite del Transformador.......... Cuarta señal: Activación de Relé de protección................. Diagrama de Bloque del Sistema en General..................... Diagrama de Bloque circuital ilustrativo del sistema transmisor............................................................................ Entradas/Salidas analógicas - digitales procesadas por el microcontrolador PIC16F84................................................ Pasos en forma detallada del proceso de Transmisión de datos.................................................................................... Diagrama de Flujo en la Transmisión de datos.................. Gráficas de todas las salidas del Microcontrolador.............

22 22 23 23 27 32 36 38 42 43 44 46 48 49

Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA

3.1.9.3.1.9.1.3.2.3.2.1.3.2.2.3.2.3.3.2.4.-

Canal de Comunicación (Fibra Óptica)............................... Fibra Óptica: Aplicaciones, ventajas y desventajas............ Descripción del Sistema Receptor...................................... Dibujo del Panel o Caseta................................................... Esquema circuital del sistema receptor........................... Pasos que se siguen en el sistema de recepción de datos Diagrama de Flujo del Sistema Receptor............................

6

54 55 58 59 61 62 65

CAPITULO IV RESULTADOS OBTENIDOS EN EL DISEÑO DEL SISTEMA 4.1.4.2.4.3.4.4.4.5.4.6.4.7.4.7.1.4.7.1.1.4.7.2.4.7.2.1.4.7.2.2.4.7.3.4.8.-

Resultados Generales........................................................ Conclusiones...................................................................... Recomendaciones.............................................................. Referencias Bibliográficas.................................................. Anexo1................................................................................ Anexo2................................................................................ Anexo3................................................................................ El Microcontrolador PIC16F84.......................................... Descripción y funcionamiento de los pines......................... El Microcontrolador PIC16F877........................................ Características Principales................................................. Descripción de las Puertas de entrada / salida.................. Diferencias y semejanzas entre la familia pic16F877 y 16F84............................................................. Anexo4................................................................................

66 70 73 74 75 78 90 90 91 93 94 96 99 102

Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA

7

LISTA DE FIGURAS Página 1.1.-

2.1.2.2.2.3.2.4.2.5.2.6.2.7.-

3.1.3.2.3.3.3.4.3.5.3.6.3.7.3.8.3.9.3.10.3.11.3.12.3.13.3.14.3.15.3.16.3.17.-

CAPITULO I Organigrama del Área de Transmisión C.A.D.E.L.A. – Barinas................................................................................ CAPITULO II Transformador de potencia y sus partes............................. Esquema de Imagen Térmica1........................................... Esquema de Imagen Térmica2........................................... ∆T en función de la corriente del devanado........................ Modelo circuital de temperatura1....................................... Modelo circuital de temperatura2....................................... Esquema desde transformador de potencia hasta indicador de temperatura.................................................... CAPITULO III Esquema Ilustrativo Transformador - Sala de Mando........ Circuito variación en mV por °C.......................................... Acondicionamiento de la señal analógica (temperatura).... Grafica de temperatura vs. Tensión.................................... VOUT (señal analógica) hacia el Convertidor A/D.............. Circuito de acondicionamiento de corriente de devanado Transformador de corriente con relación 5 A / 50 mA........ Grafica de temperatura vs. Tensión. Vo2............................ Cambio de canal del Convertidor por Contador (Biestable)........................................................................... Circuito de E/S (analógicas y digitales) al convertidor 0808.................................................................................... Circuito Biestable para el cambio de canal convertidor..... Esquema ilustrativo del montaje de sensores de nivel de Aceite.................................................................................. Niveles de Aceite digitales.................................................. Configuración de Flip-Flop J-K ante pulso de disparo........ Diagrama de Temporización actuación de Relé de protección1.......................................................................... Diagrama de Temporización actuación de Relé de protección2.......................................................................... Diagrama de Bloque tanto del sistema transmisor como receptor...............................................................................

3

5 14 14 15 16 17 17

21 23 24 25 26 29 30 31 33 34 35 36 37 39 40 41 42

Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA

3.18.3.19.3.20.3.21.3.22.3.23.3.24.3.25.-

Esquema con los principales integrados usados en el sistema................................................................................ Diagrama de Flujo del sistema Transmisor......................... Salidas Puerta A en el circuito Transmisor....................... Diagrama de Temporización de señales procesadas en el circuito transmisor............................................................... Acople de terminales con la fibra óptica.............................. Panel Frontal de Presentación de Eventos......................... Esquema circuital del sistema receptor............................... Diagrama de Flujo del proceso de recepción de datos.......

8

43 48 50 52 57 60 61 65

CAPITULO IV 4.1.4.2.4.3.4.4.-

Circuito Transmisor – Transformador de potencia (Circuito1)............................................................. Circuito Receptor - Sala de Mando (Circuito2).................... Canal de Comunicación (fibra Óptica)................................ Circuito completo (Tx, Rx, Fibra óptica)..............................

68 68 69 69

ANEXO2 (Especificaciones) 4.6.1.4.6.2.4.6.3.4.6.4.4.6.5.4.6.6.4.6.7.4.6.8.4.6.9.-

Convertidor ADC0808......................................................... Circuito Biestable (contador).............................................. Buffer 74LS244................................................................... Flip-Flop J-K........................................................................ 74LS04................................................................................ Circuito Integrado 555......................................................... Circuito Integrado 556......................................................... PIC16F877......................................................................... PIC16F84............................................................................

79 80 83 84 85 86 87 88 89

ANEXO3 (Microcontroladores ) 4.7.1.4.7.2.-

Circuito Integrado PIC16F84 y sus pines........................... Circuito Integrado PIC16F877 y sus pines......................... ANEXO4

4.8.1.-

Digitalización directa entrada analógica del transductor de

90 93

Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA

4.8.2.4.8.3.-

corriente.............................................................................. Configuración y temporización del monoestable 555.......... Circuito Electrónico Completo en AUTOCAD....................

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102 103 104

Capitulo I .- Aspectos generales de CADELA

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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. contactos

por

fase,

lo

que

permite

El conmutador posee 6

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

Pasatapas:

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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

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≤ 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

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(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

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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

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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: mismo principio.

Ambos tienen el

Capitulo III.- Sistema Transmisor

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3. Resistencia de calentamiento. 4. Transformador de Intensidad ó corriente (TC). 5. Unidad adaptadora. 6. Resistencia adaptadora. 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.

Capitulo III.- Sistema Transmisor

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Siendo dT = k*I 2 (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 11, 12, 15, 18 16 19

Valor de “K” 20,5 23,0 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

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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

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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

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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), relación

que permiten

definir la

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

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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

Corriente de bobina

Subida de temperatura

(A)

calefactora (mA)

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

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Capitulo III.- Sistema Transmisor

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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:

n = N 2 N1 → .... I 2 I 1 = 1 n = N1 N 2 ......... ⇒ .......I 1 = n ∗ I 2.................... .(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.