DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA, FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN

El diseño de una Prevención contra Explosión e Incendio para transformadores debe incorporar los siguientes cálculos para todo tipo de corto circuito en el tanque y para cada tipo de transformador:

 La corriente de corto circuito debe tomar en cuenta las características de la red y la energía remanente. Especialmente en plantas de generación donde el transformador no es protegido por interruptores entre generador y transformador.

 Se debe formalizar la transferencia de energía de las fuentes de calor o arcos eléctricos hacia el aceite dieléctrico. Por lo tanto debe implementarse un modelo matemático y físico para calcular el volumen de gases explosivos e inflamables generados.

 Se debe simular la ruptura del aislamiento en el interior del transformador para la geometría y características materiales exactas. Consecuentemente el software del proveedor debe considerar:

- Propiedades físicas y espesor del cobre, aluminio y papel. - Cantidad tamaño y geometría de las espiras.

- Características del aceite aislante, del flujo y del sistema de enfriamiento. - Dimensiones exactas del transformador, incluyendo el cambiador de

derivaciones y las boquillas.

 El resultado de los cálculos debe dar la evolución de la presión en el interior del tanque antes, durante e inmediatamente después de la ruptura del aislamiento para diferentes tipos de cortocircuito.

 La presión resultante durante el cortocircuito debe ser aliviada por uno o varios discos de ruptura, los cuales deben ceder a una presión calibrada de manera que se asegura una despresurización sin sobrepasar la presión de diseño del tanque para el cortocircuito más fuerte considerado.

 La dinámica de la apertura del disco de ruptura, así como la energía perdida durante la apertura deben ser parte integral del proceso de cálculo de la despresurización.

 El cálculo debe considerar la geometría de la tubería de despresurización, incluyendo largo total y cantidades de codos.

 El dimensionamiento de tubería de despresurización, debe ser definido después de considerar todos los puntos anteriores.

El proveedor debe anexar la memoria de cálculo incluyendo datos referentes al software y hardware utilizado. Si el proveedor cuanta con los cálculos referentes a un transformador parecido al del cliente, será decisión de este el aceptar o no esos cálculos.[42]

5.4.2.2.2.2 PRINCIPIO DEL DISEÑO DEL TRANSFORMER PROTECTOR

El TRANSFORMER PROTECTOR está compuesto de varios conjuntos, cada uno con un papel diferente.[42]

Conjuntos de Despresurización:

1. Tipos MTPA y MTPAB. Los Conjuntos de Despresurización del transformador y del Cambiador de Derivaciones Bajo Carga (CDBC) previenen la explosión del transformador y del CDBC bajo condiciones de sobrepresión. Los Conjuntos de Despresurización incluyen un Disco de Ruptura, el cual alivia la sobrepresión en unos pocos milisegundos y, en los tipos MTP y MTPA, una Cámara de Descompresión para favorecer una muy rápida despresurización. El tiempo de despresurización es el parámetro crítico. En consecuencia, el diámetro del Conjunto de Despresurización se calcula de manera individual para cada modelo de transformador.

2. Tipo STPA. Los Conjuntos de Despresurización del transformador y del Cambiador de Derivaciones Bajo Carga (CDBC) previenen la explosión del transformador y del CDBC bajo condiciones de sobrepresión. Los Conjuntos de Despresurización incluyen un Disco de Ruptura, el cual alivia la sobrepresión en unos pocos milisegundos y, en el tipo STPA, una combinación de Cámara de Descompresión y Tanque de Separación de Aceite-Gas favorece una muy rápida despresurización. El tiempo de despresurización es el parámetro crítico.

3. El tipo LTPA. El tipo LTP utiliza el sistema de recolección de aceite de la planta, por lo que no está equipado con el Conjunto de Separación Aceite-Gas. Los Conjuntos de Despresurización del transformador y CDBC tienen una Cámara de Descompresión. Todos los modelos están diseñados para proteger el tanque del transformador y el CDBC del transformador. Con los tipos MTP y LTP también es posible proteger las Boquillas con Aceite y las Cajas de Aceite de las Boquillas, opción MTPAB.

■ Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos

 Tipos MTPA y MTPAB. El Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos crea un ambiente seguro dentro del transformador y del CDBC después del proceso de despresurización mediante la inyección de un fuerte flujo de nitrógeno dentro del tanque del transformador. Se requiere un Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos para cada transformador.

 Tipo STPA. El Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos (ítems 10-16) crea un ambiente seguro dentro del transformador y del CDBC después del proceso de despresurización mediante la inyección de un fuerte flujo de nitrógeno dentro del

tanque del transformador. Se requiere un Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos para cada transformador.

 Tipo LTPA. El Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos crea un ambiente seguro dentro del transformador y del CDBC después del proceso de despresurización mediante la inyección de un fuerte flujo de nitrógeno dentro del tanque del transformador. Se requiere un Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos para cada transformador.

■ Conjunto de Separación de Aceite-Gas

 Tipos MTPA y MTPAB. El Conjunto de Separación Aceite-Gas recoge el aceite despresurizado, la mezcla explosiva de gas inflamable, y separa los gases del aceite. Los gases se canalizan entonces a través de la Tubería de Evacuación de Gases Explosivos hasta un área remota donde pueden quemarse de manera segura. Sólo se utiliza un Conjunto de Separación Aceite-Gas para varios transformadores cuando estos están localizados en la misma planta y siempre que estén lo suficientemente cercanos el uno del otro.

 Tipo STPA, El Conjunto de Separación Aceite-Gas recoge el aceite despresurizado, la mezcla explosiva de gas inflamable, y separa los gases del aceite. Los gases se canalizan entonces a través de la Tubería de Evacuación de Gases Explosivos hasta un área remota donde pueden quemarse con seguridad.

Por su diseño mecánico, el TRANSFORMER PROTECTOR es capaz de despresurizar el transformador sin señal externa. El TRANSFORMER PROTECTOR funcionará incluso en el caso de que se interrumpa el suministro de tensión. Su diseño también elimina completamente la posibilidad e despresurización indeseada ya que el TRANSFORMER PROTECTOR sólo despresurizará cuando la presión interna del tanque exceda la presión fijada del TRANFORMER PROTECTOR. Se requieren dos señales simultáneas para activar el Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos. Estas son:

 Tipos MTPA y MTPAB. El Indicador de Explosión integrado del Disco de Ruptura, el cual confirma el estado de sobrepresión y el inicio del proceso de despresurización; y: Una de las señales de protección eléctrica, confirmando la falla eléctrica en el transformador protegido.

 Tipo STPA. El Indicador de Explosión integrado del Disco de Ruptura, el cual confirma el estado de sobrepresión y el inicio del proceso de despresurización; y: Una de las señales de protección eléctrica, confirmando la falla eléctrica en el transformador protegido. Cuando ambas señales están presentes, el Actuador del Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos activa inmediatamente el Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos.

El Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos inyecta nitrógeno en la parte inferior del transformador y del CDBC. Detendrá inmediatamente la producción de gases explosivos e igualará la temperatura del aceite en contacto con:

 Los gases calentados localmente, de 1000 °C a 2000 °C (1800 a 3600 °F), creados por el arco eléctrico; y: Las partes metálicas sobrecalentadas hasta 680 °C (1260 °F) para el embobinado de aluminio o 1080 °C (1970 °F) para embobinado de cobre. Además, el flujo del Conjunto de Eliminación de Gases Explosivos impide que el aire (oxígeno) entre en contacto con los gases auto-inflamables y refrigera el transformador y los equipos asociados agitando el aceite por transferencia de calor. El proceso de Eliminación de Gases Explosivos dura 45 minutos.

En los tipos MTPA y MTPAB, el sistema de extinción de incendios de aceite “Vaciado y Agitado con Nitrógeno” respalda al TRANSFORMER PROTECTOR, para el caso de un

incendio sin explosión y cumple con los numerosos requisitos de regulaciones para la extinción de incendios. El respaldo de extinción o sistema "Vaciado y Agitado" se activa por una señal distinta a las utilizadas por el método de prevención. Estas señales son:

 Uno de los Detectores de Fuego ubicados en la cubierta del transformador; y:

 Una de las señales de las protecciones eléctricas del transformador. Aplicaciones de los diferentes sistemas de despresurización:

Dependiendo del tamaño del transformador y ubicación, los parámetros siguientes se diseñaron para servir de guía al cliente para escoger uno entre los diferentes tipos de TRANSFORMER PROTECTOR. Estos parámetros son:

1. Seguridad del personal.

2. Costos y consecuencias de pérdidas de producción de plantas generadoras, subestaciones o fábricas.

3. Costos de los daños que una explosión e incendio de un transformador le causaría a la planta entera.

4. Costo del reemplazo del transformador. 5. Daños al medio ambiente.

Los sistemas de despresurización son utilizados de la siguiente manera:

a) Tipo STPA. Separa el aceite de los gases explosivos e inflamables, canaliza entonces los gases fuera del edificio o a un área remota donde los gases pueden quemarse a salvo. El tipo STP protege pequeños transformadores desde 0,1 a 5 MVA que generalmente son usados para:

o Habitaciones, edificios de oficinas y torres. o Escuelas, hoteles, aeropuertos, hospitales.

o Redes subterráneas de distribución eléctrica.

o Plantas industriales en interiores o exteriores con elevado riesgo de explosión como refinerías o plataformas.

o Subestaciones de alimentación eléctrica para redes de tren o Áreas ecológicamente sensibles.

b) Tipo MTPA. También separa el aceite de los gases explosivos e inflamables. El tipo MTP es utilizado para transformadores en el interior y en el exterior de edificios, canaliza los gases fuera del edificio a un área remota donde los gases pueden quemarse a salvo sin causar daño a los equipos de la planta. El tipo MTP protege todos los transformadores de 0,1 a 1000 MVA o más, usados para:

o Plantas generadoras y especialmente las plantas Hidroeléctricas, donde los transformadores están ubicados en galerías bajo las presas.

o Áreas industriales donde los transformadores están ubicados cerca de fábricas u oficinas.

o Subestaciones en exteriores ubicadas dentro de ciudades o cerca de edificios o viviendas.

o Subestaciones en exteriores que no están equipadas con Conductos de Recolección de Aceite y Fosa de Almacenamiento de Aceite Remota.

o Plantas industriales con alto riesgo de explosión, tales como refinerías o plataformas.

o Redes subterráneas de distribución eléctrica. o Entornos ecológicamente sensibles.

c) El tipo LTPA. No separa el aceite de los gases explosivos e inflamables. Así, el LTP se utiliza para proteger los transformadores en exteriores cuando las plantas tienen diseñados ductos y Fosas de Almacenamiento de Aceite. El tipo LTP protege todos los transformadores de 5 a 1000MVA o más para:

o Plantas generadoras.

o Subestaciones de alto voltaje;

o Áreas industriales utilizando transformadores de alta potencia ubicados lejos de edificios o equipamientos sensibles.

5.4.2.2.2.3 COMPONENTES DEL SISTEMA DE PREVENCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN E INCENDIO - MTPA

Como se ha trabajado con anterioridad, se sabe que los transformadores de potencia requieren del sistema de protección contra explosión e incendio, buscamos la comprensión del SPEI en estos equipos. Por lo cual para efectos de estudio como se ha mencionado, nos basaremos en los transformadores de potencia tipo subestación para entrar en materia de especificaciones, funcionamiento y operación del sistema.

El modelo indicado para estos transformadores es el MTPA ya que este tipo de SPEI trabaja para transformadores de potencia grandes, desde 0.1 MVA hasta 1000 MVA.

Tabla 5.2 Componentes TRANSFORMER PROTECTOR - MTPA

Numero de Ítem Descripción Numero de Ítem Descripción

1 Transformador 15 Cilindro de nitrógeno 2 Cambiador de derivaciones bajo carga (CDBC) 16 Actuador eléctrico 3 Conservador 17 Tubería de eliminación de gases explosivos al transformador 4 Buchholz 18 Tubería de eliminación de gases explosivos al CDBC 5

Boquilla 19 eliminación de gases Tubería de explosivos al TSAG

6 Válvula de

aislamiento

20 Gabinete

7

Amortiguador 21 eliminación de gases Válvula(s) de explosivos en el transformador 8 Disco de ruptura 22 Tanque de separación Aceite- Gas (TSAG) 9 Cámara de descompresión 23 Válvula de aislamiento de aire 10 Soporte del conjunto

de despresurización

24 Tubería de

evacuación de gases explosivos 11 Tubería del drenado

de aceite

25 Tubería de drenado de aceite de otros

transformadores 12 Disco de ruptura del

CDBC

26 Válvula de cierre del conservador

13 Cámara de

descompresión del CDBC

27 Gases explosivos se queman en una área

segura 14 Tubería del drenado

CONEXIONES ELÉCTRICAS 1. Detectores de Explosión

La información de la activación del Conjunto de Despresurización es enviada, del Detector de Explosión del Disco de Ruptura a la caja de conexiones eléctricas del transformador, donde se deben conectar los cables. Dependiendo del número de Discos de Ruptura instalados en el transformador, el fabricante de transformador debe reservar terminales en la caja de conexiones del mismo. Cada Detector de Explosión debe ser conectado a la caja de conexiones eléctricas del transformador por cables de 2 x 1,5 mm².[43]

2. Sistema de Detección de Fuego

Dado que el cableado del Sistema de Detección de Fuego debe conectarse a la caja de conexiones eléctricas del transformador, el fabricante del transformador debe reservar terminales en su caja de conexión. Los Detectores de Fuego o Cables de Detección de Fuego deben conectarse a la caja de conexiones eléctricas del transformador por cables de 4 x 1,5 mm².

3. Válvula de Cierre del Conservador

El cableado de la Válvula de Cierre del Conservador debe conectarse a la caja de conexiones eléctricas del transformador, el fabricante del transformador debe por lo tanto reservar terminales adecuados en su caja de conexión. La Válvula de Cierre del Conservador debe ser conectada a la caja de conexiones eléctricas del transformador por cables de 2 x 1,5 mm².

4. Válvula de Aislamiento

Los detectores de posición para la Válvula de Aislamiento deben cablearse a la caja de conexiones eléctricas del transformador, el fabricante del transformador debe reservar terminales en su caja de conexión. Cada sensor de posición de la Válvula de Aislamiento (existen dos sensores de posición por Válvula de Aislamiento) debe conectarse a la caja de conexiones eléctricas del transformador por cables resistentes al fuego de 2 x 1,5 mm².

5. Válvulas Solenoides para Unidades de Filtrado de Aceite

Las Válvulas Solenoides deben ser conectadas con cables eléctricos de 1,5 mm². Cada Válvula Solenoide debe conectarse a la caja de conexiones eléctricas del transformador por cables de 2 x 1,5 mm².

5.4.2.2.2.4 FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN DEL TRANSFORMER PROTECTOR - MTPA

Para poder entender la operación del sistema es necesario conocer la forma de funcionamiento de las diferentes partes del sistema que influyen en el TRANSFORMER PROTECTOR:

1. CAJA DE CONTROL

El TRANSFORMER PROTECTOR está totalmente controlado por la Caja de Control, la cual muestra en todo momento el estado de los diferentes elementos del sistema. La caja de control asegura la lógica y las interfaces del TRANSFORMER PROTECTOR con todas las protecciones del transformador.[45]

Figura 5.19 Caja de control del TP [19]

En la mitad superior de la Caja de Control se encuentran los LEDs que indican el estado del sistema. Siempre que haya una alarma, el LED correspondiente se encenderá. Se puede encontrar también una indicación con la posición de la Válvula de Aislamiento. En la mitad

inferior se puede encontrar la llave para cambiar el sistema entre la posición “En Servicio” y “Fuera de Servicio” y la llave para la activación Manual del TRANSFORMER

PROTECTOR.[45]

2. EL GABINETE

El Gabinete SERGI tiene como finalidad proteger la botella de nitrógeno de las condiciones ambientales y almacenar los elementos que necesitan estar más cercanos al transformador.[45]

Tres lámparas en el Gabinete indican el estado del TRANSFORMER PROTECTOR.

 Fuera de Servicio

 Mantenimiento

 En Servicio

Figura 5.20 Gabinete [19]

3. LA VÁLVULA DE CIERRE DEL CONSERVADOR

Una vez que el proceso de despresurización ha comenzado, el aceite del tanque del conservador compensará la pérdida de aceite del transformador. Para prevenir esto el sistema SERGI incluye una Válvula de Cierre del Conservador.

Localizada entre el tanque conservador y el Relé Buchholz ésta se cierra cuando detecta un rápido flujo de aceite. La Válvula de Cierre del Conservador se cierra de forma automática debido a la dinámica del aceite. Permanecerá cerrada para aislar el tanque conservador del transformador (figura 5.21).

Figura 5.21 Válvula de cierre del conservador[19]

4. DETECTORES DE FUEGO

Los Detectores de Fuego están situados en la tapa del transformador en los soportes para Detectores de Fuego instalados por el fabricante del transformador con este propósito.

5. CONJUNTO DE DESPRESURIZACIÓN

El Conjunto de Despresurización tiene como finalidad favorecer el Proceso de Despresurización una vez que el Disco de Ruptura se abre debido a una sobrepresión en el tanque del transformador. Las interfaces del Conjunto de Despresurización son la Válvula de Aislamiento y la Purga de la Cámara de Despresurización. El Conjunto de Despresurización existe en dos modelos diferentes, Horizontal y Vertical. Durante el funcionamiento normal del sistema, la Válvula de Aislamiento debe estar completamente abierta.

Aislará el transformador del Conjunto de Despresurización durante la instalación y el mantenimiento.

Figura 5.23 Conjunto de despresurización[19]

OPERACIÓN DEL SISTEMA

Para la activación del SPEI, se requiere según la lógica de funcionamiento que se cumpla la lógica ilustrada en el siguiente diagrama eléctrico (Figura 5.24).

El cual nos muestra que no se requiere que el sistema esté conectado a la red eléctrica, o que siempre este energizado.

Esto ocasionaría un gran problema si hubiera una falla en el sistema, por lo cual el TRANSFORMER PROTECTOR no necesita la dependencia de la energía eléctrica para poder operar.

Figura 5.24 Diagrama lógico de activación del SPEI [19] Donde:

86-R = Relevador auxiliar de Disparo de la Protección De Respaldo. 86-X = Relevador auxiliar de Disparo de las Protecciones Primarias.

En las instalaciones eléctricas del país se ha normalizado utilizar un sistema de protección primario y uno de respaldo, en líneas de transmisión, así como de bancos de potencia, de subestaciones de transmisión, subtransmisión y distribución.

Podemos observar que el diagrama lógico nos indica que dependiendo la presión del transformador o del cambiador de derivaciones, nuestro sistema preventivo debe activarse; pero si en cambio este no se activara y empezara a presentarse presencia de fuego, nuestros detectores de fuego indicarían la activación del sistema de respaldo.

DIAGRAMA LÓGICO PARA LA PREVENCIÓN CONTRA EXPLOSIÓN E INCENDIO PRIMARIO OPERACIÓN DE PROTECCIÓN PRIMARIA DEL TRANSFORMADO SOBREPRESIÓN DEL TRANSFORMADOR SOBREPRESIÓN EN CDBC _ARRANQUE MANUAL MEMORIZACIÓN DE SEÑALES APERTURA DE LA VÁLVULA DE DESPRESURIZACIÓN CIERRE DE VÁLVULA DE AISLAMIENTO DE ACEITE DEL TANQUE

CONSERVADOR

SEGURA PARA MANTENIMIENTO

ENFRIAMIENTO DEL ACEITE

SE INYECTA NITRÓGENO AL TRANSFORMADOR Y AL CDBC DURANTE 45 MINUTOS PARA:

PARA LA GENERACIÓN DE HIDROGENO, EVACUAR LOS GASES EXPLOSIVOS, EVITAR LA ENTRADA DE OXIGENO, ENFRIAR EL ACEITE DEL TRANSFORMADOR, REDUCIR DAÑOS POR CORTO CIRCUITO.

0.2 seg.

DIAGRAMA LÓGICO PARA EXTINCIÓN DE FUEGO RESPALDO

OPERACIÓN DE PROTECCIÓN DEL RESPALDO DEL TRANSFORMADOR

MEMORIZACIÓN DE SEÑALES

APERTURA DE LA VÁLVULA DE DESPRESURIZACIÓN RÁPIDA

CIERRE DE VÁLVULA DE AISLAMIENTO DE ACEITE DEL

TANQUE CONSERVADOR

ENFRIAMIENTO DEL ACEITE

SE INYECTA NITRÓGENO AL TRANSFORMADOR Y AL CDBC DURANTE 45 MINUTOS PARA:

PARA LA GENERACIÓN DE HIDROGENO, EVACUAR LOS GASES EXPLOSIVOS, EVITAR LA ENTRADA DE OXIGENO, ENFRIAR EL ACEITE DEL TRANSFORMADOR, REDUCIR DAÑOS POR CORTO CIRCUITO.

CUALQUIER SEÑAL DE DETECTORES DE FUEGO ARRANQUE MANUAL SEGURO PARA MANTENIMIENTO 0.2 seg. 20 seg.

ACTIVACION DEL SPEI

1. El primer pico de presión dinámica de la onda de choque, creada por el arco eléctrico, actica el TRANSFORMER PROTECTOR antes que aumente la presión estática.

2. Evacuación de la mezcla de Aceite-Gases hacia el Tanque de Separación Aceite- Gases.

3. Cierre de la Válvula de Cierre del Conservador.

4. La Válvula de Aislamiento del Aire evita que el Oxigeno entre en contacto con la mezcla de aceite-gases inflamables.

In document SISTEMA DE PROTECCION Y PREVENCION CONTRA EXPLOSION E INCENDIO PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIA TIPO SUBESTACION (página 125-142)