desarrollo e implementación de sistemas de control de transformadores de potencia mediante la utilización del software "ELCad"

Texto completo

(1)DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE SISTEMAS DE CONTROL DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA MEDIANTE LA UTILIZACION DEL SOFTWARE “ELCad”.. JORGE EDUARDO PIÑEROS LOZANO ESTUDIANTE INGENIERIA ELECTRICA. UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERIAS PROGRAMA INGENIERIA ELECTRICA PEREIRA 2008. 0.

(2) DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE SISTEMAS DE CONTROL DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA MEDIANTE LA UTILIZACION DEL SOFTWARE “ELCad”.. JORGE EDUARDO PIÑEROS LOZANO Estudiante Ingeniería Eléctrica. DIRECTORES: Msc. DIDIER GIRALDO B. Docente del Programa de Ingeniería Eléctrica HERNAN ESCARRIA Ingeniero Electricista Gerente Área de Ingeniería Asea Brown Boveri (ABB PEREIRA). UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERIAS PROGRAMA INGENIERIA ELECTRICA PEREIRA 2008. 1.

(3) INDICE. PARTE I, INTRODUCCION 1. Justificación 2. Definición del problema 2.1 Formulación del problema 3. Objetivos 3.1 Objetivo general 3.2 Objetivos específicos. PARTE II, DESARROLLO DEL TRABAJO 1. CAPITULO 1, Conceptos básicos y fundamentos sobre accesorios del transformador 1.1 Tipos de fallas en los transformadores 1.1.1 Fallas externas 1.1.2 Fallas internas 1.2 Accesorios del transformador 2. CAPITULO 2, Fundamentos sobre circuitos de control de los transformadores 2.1 Descripción de los principales circuitos en un sistema de control 2.1.1 Circuito de alimentación y protección general 2.1.2 Circuito de calefacción y servicios auxiliares 2.1.3 Circuito de control sistema de enfriamiento 2.1.4 Circuito de fuerza 2.1.5 Circuito de señalización 2.1.6 Circuitos de protecciones del transformador 2.1.7 Circuitos de monitoreo y sistemas electrónicos de protección 2.1.8 Sistemas de comunicación 3. CAPITULO 3. Introducción al ELCad desarrollo de bases de datos y diseño de dispositivos de control en el ELCad 3.1 Desarrollo de las bases de datos y diseño de los dispositivos de control 3.2 Bloque de designación del componente 2.

(4) 3.3 Bloque descripción técnica 3.4 Bloque material 3.5 Bloque de conexiones 3.6 Representación grafica del símbolo 3.7 Creación de conexiones en el símbolo 4. CAPITULO 4. Desarrollo de los circuitos de control con el software ELCad. Ejemplo de la implementación de diseños. 4.1 diagramas de conexión 4.2 Diagramas de accesorios 4.3 Hojas de borneras 4.4 Listas de materiales e índice de planos. PARTE III, ANALISIS DE RESULTADOS, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1. Análisis de resultados 2. Conclusiones y recomendaciones. PARTE IV, ANEXOS BIBLIOGRAFIA. 3.

(5) PARTE I INTRODUCCION. 4.

(6) 1. JUSTIFICACION La importancia de la implementación, se encuentra reflejada en el papel que juega el diseño de control, ya que este determina la confiabilidad de operación que puede llegar a tener el transformador, y la forma eficiente en que podemos monitorear y controlar los factores relevantes en el mismo. Adicionalmente se presentan ventajas a la hora de realizar los diseños de los sistemas de control para los transformadores de potencia en la empresa ABB Colombia, por medio del software especializado “ELCad”, como son, eficiencia del área de ingeniería, la relación y satisfacción del producto que se realiza según las especificaciones del cliente, mejora de los procesos de elaboración de diseños en la empresa resaltando los avances en tiempos y costos, utilización de herramientas especializadas y avanzadas que permitirán un mejor desempeño en el mercado; teniendo en cuenta el prestigio y reconocimiento de una empresa como lo es ABB y en este caso ABB Colombia.. 5.

(7) 2.. DEFINICION DEL PROBLEMA. En la sección de ingeniería de la empresa ABB Colombia, se realiza el diseño de transformadores de potencia considerando variables como niveles de tensión, niveles de potencia, factor BIL, temperaturas, etc. Entre los diseños que normalmente se ejecutan esta el diseño de los sistemas de control de los transformadores. Este diseño pretende controlar, monitorear y proteger el transformador de los diferentes factores que pueden causar fallas, deterioros e incluso la destrucción del mismo debido a malas manipulaciones o anomalías presentes en las subestaciones. Los controles permiten monitorear factores como: la temperatura del transformador tanto en el aceite como en los devanados, las presiones internas que se puedan generar, los niveles de aceite y el control del conmutador bajo carga. Además estos elementos son la base para la coordinación de protecciones no solo del transformador sino de las protecciones de las subestaciones por medio del manejo de señales de alarmas y disparos. El trabajo es realizado por los diseñadores teniendo en cuenta especificaciones del cliente, funciones que debe desempeñar el transformador en su campo de acción, tiempos de elaboración de diseños, costos de construcción y resultados óptimos y eficientes. Esta tarea en la empresa es realizada por medio del outsourcing o la sobrecarga de trabajo a personal competente en este campo, lo que implica costos, demoras y problemas logísticos y de diseño a la hora de responder con los acuerdos realizados por la empresa y el cliente. 2.1 Formulación del problema Definición Pregunta de investigación. ¿Cómo podemos mejorar el desarrollo de sistemas de control en transformadores de potencia para la empresa ABB Colombia por medio del software especializado “Elcad”? Debido a los factores enunciados anteriormente el problema radica en la carencia de un esquema de diseño que permita mejorar los sistemas de control con el fin de enriquecer los procesos que esta tarea involucra a la hora de la producción de transformadores de potencia. Sistematización del problema Subpreguntas de investigación ¿Cómo disminuir la relación tiempo-costo en la elaboración de diseños de sistemas de control?. 6.

(8) ¿Cómo cumplir con las necesidades de diseño para los sistemas de control teniendo en cuenta las especificaciones del transformador y el cliente? ¿Cómo obtener desarrollos en el área de control e instrumentación de transformadores de potencia para el área de ingeniería especialmente en la empresa ABB Colombia?. 7.

(9) 3. OBJETIVOS 3.1 Objetivo general Desarrollar una metodología de diseño de sistemas de control de transformadores de potencia en la empresa ABB Colombia, basado en el software especializado “ELCad” 3.2 Objetivos específicos Justificar la utilización de software especializado “ELCad” para el desarrollo de los sistemas de control, teniendo en cuenta las situaciones actuales con las que se trabaja en la empresa ABB Colombia. Diseñar estándares básicos para los sistemas de control que permitan la optimización de recursos y de tiempo en la producción de transformadores de potencia. Describir el proceso con el cual se realiza el diseño de los sistemas de control para transformadores de potencia mediante la utilización del software especializado “Elcad”.. 8.

(10) PARTE II DESARROLLO DEL TRABAJO. 9.

(11) CAPITULO 1 CONCEPTOS BASICOS Y FUNDAMENTOS SOBRE ACCESORIOS DEL TRANSFORMADOR El transformador es un elemento fundamental en los grandes sistemas de potencia que permiten la utilización de la energía eléctrica como medio de satisfacer las necesidades presentes en la sociedad. Por tal razón su diseño y construcción representa una tarea compleja y muy confiable. Debido a su importancia y a la gran vulnerabilidad que presentan estos elementos en el sistema de potencia, estos deben poseer un sistema de control que permita la protección y el buen accionar tanto en operación normal como en un estado anómalo del sistema. Los transformadores están sometidos a numerosas sobrecargas eléctricas externas que pueden provenir de redes de transmisión o de distribución, las consecuencias de un posible fallo pueden ser muy graves tanto por su costo como en las perdidas de utilización al presentarse una interrupción del suministro de energía eléctrica, por lo tanto, los transformadores, por una parte, deben de estar protegidos contra las agresiones de origen externo y por otra, en caso de defecto interno, deben de poder separarse de la red. Estas posibles acciones que deben asumirse por parte de los manejadores de las redes y de los sistemas de potencia, están soportadas de acuerdo a la coordinación y a la reacción oportuna que poseen los sistemas de control de los transformadores y sus elementos de protección, en función de los criterios de continuidad y de calidad del servicio, de costos de inversión y explotación, de seguridad de bienes y de personas así como del nivel de riesgo admisible. El termino sistema de control del transformador se asocia a la capacidad de poder enviar las señales necesarias para la acción de desconexión del transformador con la red cuando se presenta un comportamiento de fallo, o el de ejercer un sistema de monitoreo continuo de las diferentes variables que operan en el transformador en operación normal. Estas características obligan a los sistemas de control a presentar una autonomía y una coordinación que permita garantizar el buen funcionamiento del mismo y del sistema de potencia. Algunas de las razones de la presencia de los sistemas de control y los accesorios de protección de los transformadores son: • • • •. Limitar el peligro en el transformador cuando se encuentra en situación de fallo. Minimizar la posibilidad de fuego en el transformador. Minimizar los riesgos de personal técnico en la manipulación del transformador. Minimizar el peligro de destrucción en elementos de ALTO VOLTAGE.. 10.

(12) 1. La elección de las protecciones se hace en función de la tecnología del transformador, de los tipos de cargas que alimentan y sobre todo del entorno en que trabajan. La definición de protecciones del transformador obedece tanto a medidas preventivas como medidas curativas dependiendo de los procesos de mantenimiento y de planeacion que se tengan en el manejo de los sistemas de redes de energía eléctrica especialmente en las subestaciones. Los sistemas de control poseen elementos propios como son reles, contactores, interruptores termomagneticos, etc., y elementos asociados los cuales comprenden cada uno de los accesorios de los transformadores como es el rele de Buchholz, los termómetros de temperatura del aceite y de los devanados, Indicadores de nivel, Válvulas de sobrepresión, Reles de presión, etc. Cada uno de estos elementos que comprenden el sistema de control posee características como son alta velocidad y alta sensibilidad que reducen de manera considerable las situaciones de peligro y reducen los costos de mantenimiento y reparación. Una singularidad presente en estos sistemas es que en muchos casos no son estándar los accesorios y los circuitos, esto debido en gran parte a las diferentes aplicaciones y características de los transformadores. Usualmente los circuitos son técnicamente flexibles, variando en grados de sensibilidad, velocidad y selectividad. 2. Para realizar una selección equilibrada teniendo en cuenta estos factores y factores económicos que son muy importantes a la hora de diseñar y elaborar una propuesta de protección se deben tener en cuenta lo siguiente: • • • • •. Costo de reparación. Costo de pérdida de producción. Efectos adversos en el balance del sistema Propagación de daños por equipos adyacentes Periodos de inhabilidad por daño de los equipos. Las soluciones aplicadas son siempre un compromiso entre estos diversos criterios, siendo muy importante que el compromiso de equilibrio adoptado entre ventajas e inconvenientes esté perfectamente identificado. Cuando se realiza el diseño de los circuitos de control y la coordinación de las protecciones se busca limitar las consecuencias de un fallo o situación anómala por lo tanto se adopta una filosofía en la cual primero se encuentra una protección contra el riesgo de explosión, posteriormente se controla una variable importante en los transformadores la cual es su temperatura, ( especialmente las temperaturas cuando se encuentra exigidos debido a esfuerzos de cargabilidad ) y finalmente la naturaleza de las cargas a las cuales están respaldando.. 1. Protección de los transformadores de los centros de transformación MT/BT. Schneider electric. Cuaderno técnico n 192. 2 IEEE Guide for protective relay applications to power transformers. IEEE std. C37.91-2000. 11.

(13) Para proteger los transformadores, las protecciones deben actuar en el momento en que se presenta una falla, al no actuar se puede presentar un daño considerado el cual se ve reflejado en un costo alto de mantenimiento y de reparación. Adicionalmente cuando la falla no se aclara por la protección del transformador, se presentan desconexiones de las líneas transmisión o desconexiones ocasionadas por protecciones que aguas arriba o aguas abajo pueden operar. La evaluación del tipo de protección que debe ser utilizada en un transformador debe considerar la integridad con el sistema al cual esta conectado y las consecuencias que se pueden presentar si estas no operan correctamente en una situación anómala. Tipos de fallas en los transformadores Los efectos eléctricos presentes en los devanados y los magnéticos presentes en el núcleo están sujetos a un número diferentes de fuerzas durante la operación, por ejemplo: • • • • •. Expansión y contracción por el ciclo térmico. Vibración. Calentamiento local por el flujo magnético. Impacto de fuerzas ocasionadas por fallas de sobrecorriente. Excesivo calentamiento debido a sobrecarga o función inadecuada del sistema de refrigeración.. Estas fuerzas pueden causar deterioro y por consecuente falla en los aislamientos de los devanados del transformador. Al presentarse estas deficiencias en los aislamientos del transformador se empiezan a generar situaciones que finalmente llevan a que se produzca una falla, con el fin de poder detectar estos cambios en el transformador existe una serie de accesorios que permiten no solo monitorear sino realizar maniobras en las cuales se evita la destrucción de la parte activa (bobinas, núcleo, conmutadores, etc.) o de elementos externos al transformador (aisladores, tanques de expansión, pararrayos, etc.). Los sistemas de control de los transformadores monitorean parámetros en el transformador usando la indicación de accionamientos que reaccionan ante situaciones de fallo, por ejemplo: • •. Monitores de temperatura de devanados y de aceite los cuales son típicamente usados en alarmas que permiten la revisión del personal con el fin de realizar el mantenimiento respectivo. Detección de gases ocasionados por el aceite del transformador, el análisis de la composición de gases detecta la cantidad de estos como lo es el acetileno. Este análisis es usado no solo como alarma sino también como disparo para las protecciones del transformador, generalmente el análisis de gases recoge una muestra periódicamente de las características del aceite, adicionalmente algunos sistemas recogen información acerca de la humedad interna del transformador y del grado de hidrogeno presente en el mismo.. 12.

(14) • •. Monitores de presión los cuales están constituidos por reles o válvulas que se accionan a la hora de un aumento de presión debido a la presencia de gases derivados del aceite. Detectores de nivel que sensan el nivel del aceite del tanque estos son usados como alarma ya sea por un nivel alto o un nivel inferior del aceite y como disparo cuando el nivel inferior es crítico.. En conjunto las fallas presentes en la parte activa del transformador están directamente relacionadas con los factores enunciados anteriormente, por lo tanto al sensar y controlar estas características obtenemos un sistema de control para el transformador. Un ejemplo de las consecuencias que se pueden llegar a tener debido a una mala supervisión de estas variables se encuentra en la siguiente tabla la cual es un estudio de fallas que se presentan en los transformadores.. 3. Tabla 1. Summarizes failure statistics for a broad range of transformer failure causes reported by a group of U.S. utilities over a period of years.. Los transformadores están expuestos a fallas internas o externas provocadas por diferentes situaciones a continuación se resaltan algunas de ellas teniendo en cuenta la procedencia de la falla. Fallas externas: En el funcionamiento normal de un transformador y en el transcurso de su vida útil esta sometido a maniobras de desconexión y conexión las cuales provocan que se genere una tensión de conexión con un gran flujo remanente, lo que produce corrientes de conexión especialmente elevadas. Puesto que el amortiguamiento de las corrientes de conexión 3. IEEE Guide for protective relay applications to power transformers. IEEE std. C37.91-2000. 13.

(15) depende de las características magnéticas del transformador (principalmente sus pérdidas por histéresis), la presencia de una carga influye poco en su comportamiento. La conexión se efectúa generalmente con las cargas conectadas. Si éstas presentan fenómenos transitorios, hay que tener en cuenta su comportamiento global. Las corrientes de enganche obligan a los dispositivos de supervisión (relés y captadores de corriente asociados, fusibles,...) a incorporar la noción de temporización para no provocar actuaciones intempestivas. Los transformadores también están sometidos a tensiones transitorias que provienen de las redes a las que están conectados. Estas sobretensiones tienen su origen o bien en las descargas de rayo, directas o inducidas, sobre las redes MT o BT o bien en las de transmisión. Cuando se realiza un corte en la tensión mediante el dispositivo correspondiente situado inmediatamente aguas arriba, el conjunto formado por el transformador, el aparato de corte y el circuito de alimentación producen sobretensiones que provocan sobreesfuerzos dieléctricos en el transformador. Estos sobreesfuerzos producen un envejecimiento prematuro o incluso pueden producir, en ese mismo momento, un defecto de aislamiento entre espiras o entre éstas y masa. Los criterios de severidad de las sobretensiones que han de soportar los transformadores son ante todo y evidentemente, el valor de cresta, pero también la velocidad de variación de la tensión (frente de subida, o de descenso en caso de un cebado próximo «onda cortada») que lleva a un reparto desigual de los esfuerzos en los arrollamientos provocando el que se sobrepase la rigidez dieléctrica entre espiras aunque el valor de cresta entre los bornes del arrollamiento primario no sobrepase los valores admisibles. Los defectos internos provocados por las sobretensiones se presentan de estas diferentes formas: •. Defectos de aislamiento entre espiras de un mismo arrollamiento (que es el caso más frecuente).. •. Defectos de aislamiento entre arrollamientos.. •. Defectos de aislamiento entre un determinado arrollamiento y una parte conductora próxima (núcleo o cuba).. Otro fenómeno que se presenta son los calentamientos admisibles en las diferentes partes de un transformador, lo cual corresponde a un funcionamiento permanente, teniendo en cuenta los valores límites de calentamiento que indican las normas, puesto que éstas ya cuentan con el envejecimiento normal de los aislantes.. 14.

(16) Una intensidad de corriente de valor superior al valor asignado corresponde a un funcionamiento con sobrecarga. Una situación de sobrecarga mantenida implica que se sobrepasan los calentamientos en ciertos puntos del transformador (según su construcción) y, si además la temperatura ambiente es elevada, provocará que se sobrepasen las temperaturas admisibles. Sin embargo, en condiciones de funcionamiento anormales o excepcionales, se admite el sobrepasar también los límites, aunque sea en detrimento de la esperanza de vida del transformador. Esto puede ser preferible a una interrupción del servicio provocada por un aumento transitorio de la potencia solicitada. Falla internas: Las fallas entre espiras de la bobina son las más frecuentes y a la vez las más difíciles de detectar. Son fruto de una degradación local del aislamiento del conductor, por sobreesfuerzos térmicos o dieléctricos. La manifestación inmediata se reduce a un pequeño aumento de la corriente primaria, debido por una parte a la modificación de la razón de transformación y por otra a la aparición del fenómeno de espiras en cortocircuito en la bobina afectada. Esta espira bajo falla se comporta como una bobina secundaria dando origen a una corriente que sólo está limitada por su impedancia propia y por la resistencia en el punto del fallo. Según la corriente que circule por esta espira, la evolución de la falla será más o menos rápida. En caso de una corriente importante el calentamiento local provocará el deterioro de las espiras próximas y el defecto se extenderá rápidamente. El orden de magnitud corresponde aproximadamente a 100 veces la corriente asignada, o sea, aproximadamente 1 kA para la bobina primaria de un transformador de 400 kVA a 20 kV. En todos los casos, la presencia de un arco local provocará un desprendimiento de gases, tanto si el transformador es seco o de inmersión. Esta aparición de gases puede provocar un importante aumento de la presión, hasta la ruptura del elemento (cuba o aislante sólido). Por otro lado se tienen las fallas entre bobinas las cuales son poco frecuentes pero pueden dar lugar a corrientes de falla elevadas, hasta corrientes de cortocircuito de red en casos de fallas junto a los bornes, con manifestaciones muy importantes. Ciertas localizaciones particulares, como defectos entre bobinas próximas a las conexiones de punto neutro de un acoplamiento en estrella, se parecen a un defecto entre espiras porque los puntos que entran en contacto no tienen tensiones muy diferentes. Las fallas entre bobinas y masa tienen su origen más frecuente en la perforación del aislamiento como consecuencia de una sobretensión. Sin embargo, también pueden ser consecuencia de fallas de tipo mecánico o debido a la evolución de un fallo eléctrico. Las características de una falla masa, así como las posibilidades de diagnóstico dependen del modo de puesta a tierra de la red de alimentación y de la ubicación de la falla en el transformador. Una parte significativa de estas fallas afecta a la masa del transformador, y por tanto a tierra. Por consiguiente, es útil una protección contra fallos a tierra. En condiciones normales la corriente a tierra será nula (salvo en las redes con neutro a tierra. 15.

(17) y distribuido); esta protección puede ajustarse a un valor bajo, por ejemplo 10% de la corriente asignada con una temporización de 100 ms. A continuación se presenta una tabla con una síntesis de las fallas y sus consecuencias. 4. Tabla 2. Todos estos tipos de fallos, si no son corregidos en su fase inicial, evolucionarán hacia una generalización que afectará a diversas bobinas y podrán manifestarse de forma violenta reventando la cuba, explotando las bobinas y tal vez provocando un incendio.. Debido a estas fallas que se presentan en los transformadores, existe una serie de accesorios que permiten controlar estos fenómenos y lograr que los daños en el transformador no sean considerables.. 4. Protección de los transformadores de los centros de transformación MT/BT. Schneider electric. Cuaderno técnico n 192.. 16.

(18) Accesorios del transformador El transformador posee una serie de accesorios los cuales se encargan de protegerlo teniendo en cuenta varios factores que pueden ocasionar grandes daños a la parte física del mismo. Estos accesorios actúan ante cambios como lo son las temperaturas internas del transformador, variaciones de los niveles del refrigerante que posea internamente, variaciones de presiones, presencia de gases y humedad, etc. Relé de buchholz La presencia de gas al interior de un transformador sumergido en aceite es siempre señal de una anomalía de funcionamiento. Puede ocurrir por: • La descomposición de aislantes sólidos o líquidos al interior del transformador, causada por unos sobrecalentamientos o por arcos eléctricos; • La interacción con el medio ambiente exterior, a través de las bombas de circulación; • Desde el interior del transformador, en caso de que no se someta el dieléctrico a una desgasificación esmerada antes de la puesta en marcha del aparato. El flujo excesivo de aceite, especialmente en las tuberías que van dirigidas hacia el conservador, se forman como consecuencia de unos cortocircuitos o de fuertes arcos eléctricos interiores, que pueden dañar o perjudicar el funcionamiento del transformador. Estos flujos pueden ocasionar el goteo de aceite desde la caja del transformador y así causar graves daños por la contaminación del medio ambiente y, en el peor de los casos, hasta determinar el comienzo de un incendio. Cuando hay formación de gas en el transformador, las burbujas tienen que encauzarse, como consecuencia del correcto planteamiento del transformador en la tubería que lleva al conservador. Las burbujas se “acumulan” al interior del relé BUCHHOLZ, en su parte superior, haciendo bajar el nivel del aceite y consecuentemente el primer flotador (o flotador superior), con el consiguiente accionamiento del interruptor de alarma. En caso de que se forme gas continuamente, el mismo pasa sin obstáculos en la tubería colocada inmediatamente aguas abajo del relé hacia el conservador. En caso de que siga aumentando el volumen de gas y/o haya goteo de aceite, baja el flotador inferior (o segundo flotador), y antes de que el relé se vacíe por completo se acciona el interruptor de desenganche (disparo). Este fenómeno ocurrirá sólo cuando haya salido todo el aceite que se encontraba al interior del conservador.. 17.

(19) Grafico 1. Ilustración partes rele de buchholz, tipos de reles de buchholz.. 18.

(20) Dispositivo de toma de muestra de gas Como es bien conocido, la presencia de gas en un transformador sumergido en aceite es siempre una señal de funcionamiento anormal y el relé Buchholz tiene la tarea de señalar su existencia. Por consiguiente, puede ser que haga falta analizar químicamente los eventuales gases, ya sea para averiguar su peligrosidad como para intentar localizar su origen sin tener que desconectar el transformador. Desgraciadamente, el relé Buchholz está colocado cerca de piezas bajo tensión del transformador y por consiguiente resulta imposible tomar el gas directamente del relé sin desconectar el transformador mismo. Además, su colocación hace imposible acceder al mismo desde el suelo. El dispositivo de toma gas tiene la tarea de remediar este inconveniente.. Grafico 2. Ilustración partes del dispositivo de toma de muestra de gas, instalación.. 19.

(21) Válvula de sobrepresión Se utiliza como accesorio de protección, su función se lleva a cabo cuando dentro del transformador se produce una falla de corto circuito, el arco eléctrico vaporiza instantáneamente parte del líquido aislante, produciendo con ello una súbita sobrepresión dentro del tanque. Si esta sobrepresión formada no se libera en forma adecuada en un corto tiempo, el transformador podrá explotar y esparcir el líquido contenido dentro de él, causando serios daños al medio que lo rodea. Con estos dispositivos se tiene una respuesta de fracción de segundo para liberar las sobrepresiones en el transformador, conmutador, etc. El relevador mecánico de sobrepresión es una válvula que se acciona con resortes calibrados, de tal manera, que al comenzar a incrementarse la presión interna en el tanque, éste empieza a ceder la presión y el diafragma actúa abriéndose súbitamente dejando escapar las presiones peligrosas. Cuando el relevador opera, un perno indicador saldrá de la parte superior, señalizando la operación de la válvula. Este perno se restablece oprimiéndolo suavemente hacia el interior de la cubierta y queda listo para la siguiente operación.. Grafico 3. Ilustración partes Válvula de sobrepresión.. 20.

(22) Grafico 4. Ilustración válvula de sobrepresión.. Rele de presión súbita Utilizado para proteger el transformador de fallas internas mediante la detección de cambios súbitos de presión. Debido a la formación de arcos internos en el aceite del transformador, los cuales generan presiones excesivas de gas que pueden dañar severamente el equipo y presentar peligro al personal de funcionamiento externo (operadores). El relé de presión súbita, se instala en el transformador, aminorando la posibilidad de tal ocurrencia discerniendo las tasas del aumento de la presión por encima de los límites seguros establecidos por el fabricante de transformador. Cuándo tales condiciones se experimentan, iniciará una señal eléctrica para la operación del interruptor que desenergiza el transformador e instituye una alarma si es deseada. En el diseño del rele se considera la no actuación de ellos bajo las siguientes circunstancias variaciones normales de presión causadas por el cambio de la temperatura, por la vibración, por el golpe mecánico, ni por oleadas de una bomba (refrigeración con aceite forzado). El relé puede ser montado en el transformador, ya que puede soportar pleno vacío o 20 psi de presión positiva sin sufrir daño.. 21.

(23) Grafico 5. Ilustración rele de presión súbita.. Indicadores de niveles de aceite Los indicadores de nivel, son utilizados con gran eficacia para controlar variaciones de volumen de líquidos en formas visuales, eléctricas o ambas. Algunos tienen por principio de funcionamiento una transmisión magnética, efectuada por imanes permanentes opuestos, separados herméticamente y accionados por un fluctuador acoplado a una barra. Este tipo de construcción garantiza una perfecta estanqueidad del equipo y posibilita su uso en serias condiciones, sin afectar su parte activa o los contactos. En transformadores donde las variaciones de carga influyen directamente en el volumen del aceite, son instalados en su conservador de expansión o directamente en la cuba principal (transformadores sellados). En esta aplicación poseen una referencia de volumen de aceite en torno a 25°C, que orienta al usuario al nivel apropiado de llenado del aceite a temperatura ambiente. De esta forma, también los marcadores de máximo y mínimo corresponden a los respectivos volúmenes en las temperaturas correspondientes admisibles por el proyecto del transformador, pudiendo ser, por lo tanto una protección térmica adicional.. 22.

(24) Grafico 6. Ilustración tipo de niveles de aceite.. Rele de flujo El relé de protección está previsto para proteger el cambiador de un defecto en el compartimiento de aceite del ruptor o cuerpo insertable, o en el recipiente de aceite del selector bajo carga. El relé reacciona cuando, debido a un fallo, el flujo de aceite es provocado a circular desde la cabeza del cambiador de tomas hacia el conservador de aceite sobrepasando el valor establecido. Este flujo de aceite actúa sobre la clapeta y la hace bascular a la posición de desconexión. Esto hace que se accione el contacto magnético encapsulado de gas inerte, se desenganchen los interruptores de potencia y se desenergice el transformador. El funcionamiento del relé no se puede producir por las conmutaciones cuando éstas se efectúan bajo carga nominal o bajo sobrecarga admisible.. Grafico 7. Ilustración rele de flujo.. 23.

(25) Indicación de la temperatura Los termómetros son instalados normalmente para la medida de la temperatura del aceite en la parte superior del transformador y la indicación del punto caliente de los devanados. La temperatura del aceite en la parte superior del transformador puede ser medida directamente por un sensor ubicado en la tapa del tanque. Para la indicación remota de esta temperatura se puede usar un PT 100 el cual seria un sensor del termómetro o una señal de corriente. La medida de la temperatura del devanado es llevada a cabo en una manera indirecta. El punto caliente del devanado es asumido en la parte superior del mismo donde esta rodeado por el aceite que se encuentra en la parte superior del transformador. El gradiente de temperatura entre la temperatura del aceite y la temperatura del devanado dependen de las pérdidas en el devanado, las cuales corresponden al cuadrado de la corriente. El termómetro por lo tanto mide la temperatura superior del aceite y le agrega la diferencia de temperatura del devanado y el aceite circundante. El termómetro de devanados esta configurado como un sensor dentro de un reóstato sumergido en el aceite que se encuentra en la parte superior. Un transformador de corriente, que refleja la corriente del devanado, alimenta el reóstato. Una graduación a través del reóstato es ajustada para dar una contribución de la temperatura iguala al gradiente de temperatura del devanado el cual es calculado o medido durante una prueba de calentamiento. Para medir la temperatura del aceite se utiliza el método que consiste en sumergir el bulbo del termómetro en un termopozo. La temperatura de los devanados depende de la carga del transformador (es decir; de la corriente existente en el devanado) y de la temperatura del medio de refrigeración (el aceite). Se miden estos dos parámetros y se interrelacionan en el indicador. Debido a que los devanados están conectados a alta tensión, no es posible medir la temperatura de los devanados directamente. La indicación de la temperatura del devanado se obtiene simulándola mediante una resistencia de calentamiento conectada a un transformador de corriente (Imagen Térmica).. 24.

(26) Grafico 8. Ilustración indicadores de temperatura (aceite y devanados).. Transformadores de corriente Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida u otros dispositivos de medida y control. De esta manera, se evita la conexión directa entre los instrumentos y los circuitos de alta tensión, que seria peligroso para los operarios y requeriría cuadros de instrumentos con aislamiento especial. También se evita utilizar instrumentos especiales y caros, cuando se requieren medir corrientes intensas. Los transformadores de corriente pueden tener las siguientes funciones: •. •. TC de medida: esta destinado a alimentar los instrumentos de medida como indicadores, registradores, integradores, contadores, relés y otros aparatos análogos. Dentro de este tipo de tc’s se encuentran los de medición, imagen térmica y los de regulación. TC de protección: destinado a alimentar relés de protección (relé diferencial). Se pueden encontrar internos y externos (ej: protección de la cuba).. Existen diferentes tipos de transformadores de corriente, en nuestro caso los que utilizamos son los de tipo toroidal, tienen un devanado secundario totalmente aislado y montado permanentemente sobre el circuito magnético (nucleo) y una ventana a través de la cual puede hacerse pasar un conductor que proporciona el devanado primario.. 25.

(27) Grafico 9. Ilustración transformador de corriente tipo toroide.. Respirador de silica gel Es necesario para excluir la humedad del espacio de aire encima del nivel del aceite del conservador, para mantener la sequedad del aceite del transformador. Este espacio es deshumificado por un dispositivo que contiene un agente de secado generalmente silica gel. La propiedad del gel es su alto poder de absorción de humedad.. Grafico 10. Ilustración tipo de respiradores de silica gel.. 26.

(28) CAPITULO 2 FUNDAMENTOS SOBRE CIRCUITOS DE CONTROL DE LOS TRANSFORMADORES Los transformadores gracias a todos sus accesorios de protección y de monitoreo deben de estar en la capacidad de recoger señales con el fin de poder realizar la tarea de coordinación y de control necesarias para su buen funcionamiento, teniendo en cuenta, el enlace que se tiene que realizar con los diferentes elementos presentes en las subestaciones y finalmente con aquellos que manejan los sistema de transmisión. Por esta razón es necesario el diseño de circuitos de control, los cuales cumplen diversas funciones que permiten tener de una manera más organizada y con una filosofía adecuada todos los parámetros que evitan situaciones de falla o riesgo en los transformadores. Los sistemas de control y sus circuitos se diseñan y están definidos por las características eléctricas (Potencia, nivel de tensión, niveles de aislamiento) y mecánicas (tanque de expansión, conmutador bajo carga, bujes) del transformador, estos pueden manejar sistemas como son el de enfriamiento los cuales permiten que los agentes aislantes presentes en el transformador como es el aceite dieléctrico, el aire o el agua puedan mantenerse a unas temperaturas de trabajo con el fin de no permitir un calentamiento excesivo que se ve reflejado en perdidas en el transformador, sistemas de regulación de tensión por medio de los conmutadores con o sin carga, sistemas de mantenimiento y monitoreo en línea (análisis de gases en el transformador, análisis de cargabilidad, análisis de vida útil de contactos del conmutador con carga o bujes, puntos calientes conocido como hot spot, etc.), sistemas de protecciones que permiten el accionar de estas tanto en los transformadores como en la subestación y finalmente en sistemas de potencia grandes permitir el enlace y la coordinación con un centro de control el cual esta en un constante monitoreo del sistema remotamente. Todos estos circuito son alojados en un gabinete de control el cual es considerado un accesorio mas del transformador y se encuentra adosado al tanque, este gabinete o celda debe cumplir con unas especificaciones especiales que permitan el buen funcionamiento de los elementos que se encuentran en su interior, entre las especificaciones se encuentran, acabados de pintura que no permitan que los elementos y el mismo gabinete sufran las inclemencias de los ambiente a los cuales esta sometido el transformador, niveles de aislamientos reglamentados, protección grado IP (IEC) o NEMA (ANSI)5 los cuales aseguran la hermeticidad del gabinete y estándares de seguridad para el personal que manipula este accesorio.. 5. Normas de protección en gabinetes y celdas ver IEC 60034-6. Rotating electrical machines - Part 5: Degrees of protection provided by the integral design of rotating electrical machines (IP code) Classification.. 27.

(29) Descripción de los principales circuitos en un sistema de control Circuito alimentación y protección general Los elementos utilizados en los circuitos deben funcionar a unos niveles de tensión que están determinados por los circuitos de alimentación auxiliar presentes en las subestaciones, normalmente se utiliza un circuito de corriente alterna y uno de corriente continua, la alimentación auxiliar de corriente alterna con circuitos pequeños presentes en las subestaciones con niveles de tensión en el orden de los 208 - 120 V, la alimentación auxiliar de corriente continua esta soportado por los bancos de baterías los cuales habitualmente están en el orden de los 125 V (los niveles de tensión tanto en corriente alterna como en continua son característicos de las zonas en que serán instalados los transformadores presentándose grandes diferencias cuando se instalan en diferentes nacionalidades). La funcionabilidad de los circuitos de alimentación se ve reflejada en permitir el accionar o el funcionamiento de sistemas de calefacción, sistemas de iluminación, transferencias de potencia, sistemas de control en los cuales encontramos reles, contactores, bobinas, temporizados, selectores y en el suministro de tensión para elementos como lo son los motores de los ventiladores, los motores del sistema de conmutación para la regulación de tensión, fuentes de conversión de niveles de tensión, anunciadores de alarmas, reguladores de tensión automáticos, indicadores de temperaturas, etc. En el diseño del circuito de alimentación se deben tener en cuenta la capacidad de carga que va a soportar el sistema de alimentación auxiliar de la subestación y se determina los rangos para las protecciones de cada uno de los circuitos que dependen de el, por tal razón cada circuito necesario para el funcionamiento de todos los elementos y accesorios del transformador debe poseer una protección independiente, esta protección se logra a través de interruptores termomagneticos los cuales permiten aislar los circuitos que por alguna razón presenten una falla, los interruptores termomagneticos permiten proteger los circuito de corrientes de corto circuito y de sobrecargas. Lo importante a tener en cuenta en estas protecciones es seleccionar los niveles de corriente adecuados dependiendo de la carga que se encuentre aguas abajo de el. En algunos casos se utilizan supervisores de tensión los cuales monitorean los niveles presentes en los circuitos principales de alimentación accionándose ante situaciones de sobre o bajo voltaje tanto para corriente alterna como continúa.. 28.

(30) Grafico 11. Circuito de alimentación y protección general.. Con este circuito estamos asegurando el suministro de tensión necesaria para que los demás sistemas de control funcionen de forma correcta. Adicionalmente los interruptores termomagneticos poseen contactos auxiliares los cuales dan una señal de alarma o de advertencia en la subestación, esta función se logra con una serie de contactos secos los cuales se accionan ante un estado de falla en el circuito. En los circuitos de alimentación también se encuentran transferencias las cuales permiten el cambio de una alimentación auxiliar principal a una de respaldo y viceversa, la transferencia se logra utilizando reles temporizados y contactores.. Grafico 12. Circuito de alimentación con transferencia.. Aguas debajo de las protecciones presentes en circuito de alimentación se desprenden cada uno de los circuitos que cumplen con las funciones protección y monitoreo en el transformador. 29.

(31) Circuito de calefacción y servicios auxiliares Este circuito esta diseñado con el fin de garantizar condiciones adecuadas dentro del gabinete de control, los elementos en general funcionan a ciertos niveles de temperatura y no deben estar expuestos a ciertos grados de humedad, por esa razón se disponen de un circuito el cual esta constituido por una resistencia calefactor la cual disipa calor con el fin de impedir la condensación de agua dentro del gabinete, esta resistencia es controlada por medio de un higrostato o termostato lo cuales dependiendo del grado de humedad y temperatura permiten el paso de corriente a través de la resistencia, el sistema es sencillo pero evita grandes problemas a la hora de un funcionamiento continuo de los equipos, como servicio auxiliar se encuentra un circuito de iluminación el cual permite que el personal tenga acceso al interior del gabinete de control con las mejores condiciones, esto con le fin de evitar errores que atenten con la integridad del personal o con el transformador, el sistema de iluminación normalmente es controlado por un microswitch el cual se acciona cuando la puerta del gabinete se abre. Finalmente encontramos un sistema de alimentación auxiliar la cual es suministrada por uno o mas tomas de corriente ubicados dentro del gabinete, estos deben cumplir con la normativa para manejo en exteriores (quiere decir que deben ser tipo GFCI).. Grafico 13. Circuito de calefacción y servicios auxiliares.. 30.

(32) Circuito de control sistema de enfriamiento Este circuito representa la capacidad del transformador para trabajar bajo un estado de sobrecarga generado por el sistema, este circuito permite de forma controlada el encendido de cualquier dispositivo que realice una función de enfriamiento emulando cualquier proceso térmico, entre estos dispositivos encontramos ventiladores los cuales poseen unas características especificas para trabajar bajo estas condiciones como son grado de protección contra intemperie en los motores, caudales de aire grandes con el fin de enfriar la mayor área de agente aislante presente en el transformador y procesos de galvanizado los cuales no son mas que procesos que se realizan al material con el cual están construidos para soportar temperaturas altas y ambientes corrosivos; también se presentan bombas las cuales utilizan un caudal de agua para enfriar el transformador. Independiente del sistema utilizado el proceso térmico que se genera en el transformador es el que permite la utilización de estos elementos para cumplir esta función, el aceite en los transformadores, como agente aislante entre la parte activa del transformador (bobinas y núcleo) y las partes metálicas (Tanque, bridas, etc.) posee la característica de que cuando se caliente presenta un cambio de densidad y empieza a recircular dentro del transformador, presentándose así, que el punto mas caliente del aceite esta en la parte superior y el mas frió en la parte inferior, utilizando este comportamiento el aceite es guiado por unas obleas de metal (radiadores) con las cuales entra en contacto con el aire circundante que se encuentra alrededor de los transformadores permitiendo así una refrigeración natural, cuando las temperaturas son muy altas y no se satisface la necesidad de refrigeración por medio del aire se utilizan los elementos anteriormente enunciados, los cuales complementan la función que el aire realiza sobre el cuerpo de aceite que circula por los radiadores.. Grafico 14. Juego de ventiladores y radiadores utilizados como sistema de enfriamiento.. 31.

(33) Con la aparición de estos sistemas de enfriamiento, surge la necesidad de controlar la activación de los mismos, por tal razón existe un circuito el cual permite que los ventiladores o bombas se enciendan solo cuando sea necesario ya sea con el fin de evitar situaciones de falla en el transformador o controlar las sobrecargas que se presentan en los ciclos de cargabilidad de los sistemas de potencia. Este circuito esta constituido por una serie de contactores y reles contactores que permiten el funcionamiento de los elementos de enfriamiento gracias a señales enviadas por dispositivos o sensores de medida de temperatura o a la manipulación manual de los operarios de la subestación. Normalmente este circuito esta constituido por dos partes, una parte manual que no es mas que una serie de selectores conectados en cascada que permiten el accionamiento del sistema y una parte automática la cual como se ha dicho anteriormente utiliza sensores de temperatura para efectuar la maniobra, dichos sensores pueden ser análogos o digitales, pero siempre basan su funcionamiento en el actuar de contactos secos los cuales permiten la energizacion de bobinas que controlan una serie de contactores de potencia que permiten la alimentación de los motores.. Grafico 15. Circuito de control sistema de enfriamiento.. De igual manera el circuito de control posee una parte de señalización que permite detectar situaciones de falla en el sistema de control generando el sobrecalentamiento del transformador, el deterioro de los aislamientos, perdida de vida útil del transformador y en el peor de los casos un incendio del equipo.. 32.

(34) Circuitos de Fuerza Estos circuitos son los que soportan gran parte de la carga de potencia demandada sobre los sistemas auxiliares de la subestación, son los que permiten la alimentación de motores, reenvios, bombas y demás elementos de potencia que pueden ser utilizados en un transformar con el fin de cumplir una función de control o de protección. Estos circuitos normalmente están compuesto de contactores, breakers, guardamotores (Protecciones eléctricas para motores) y demás elementos robustos que soportan grandes corrientes de arranque y funcionamiento, sobrecargas y calentamiento extremo. A su vez estos circuitos están ligados y su funcionamiento depende de los circuitos de control y de alimentación.. Grafico 16. Circuito de fuerza sistema de enfriamiento.. Estos circuitos son vulnerables a errores de diseño debido a que se tienen que manejar bastantes variables como son, niveles de tensión (muchos motores pueden funcionar con corriente alterna o corriente directa), corrientes de arranque (aproximadamente llegan a estar en el orden de 3 a 5 veces la corriente nominal), sobrecarga, torque, potencia de trabajo, etc. Las cuales obligan al diseñador a encontrar las opciones mas optimas con respecto a cumplir con todas estas variables pero a su vez de no ser redundantes ya que esto implica un cambio en una variable importante en el ámbito en que se maneja la producción y manufactura de los transformadores el costo de equipos. De igual manera que en los circuitos cada uno de sus elementos posee una serie de contactos de señalización y de alarmas con el objetivo de detectar y controlar cual situación anómala. 33.

(35) Circuitos de señalización Los circuitos de señalización son parte fundamental para los intereses de los controladores de subestación, estos circuitos se encargan de tener las señales necesarias para activar dispositivos de anunciación o sistemas de indicación visual y sonoras, con el objetivo de que el operador se entere de alguna falla, del por que y cual es la fuente de la misma. Los circuitos de señalización se caracterizan por ser una serie de contactos auxiliares que están adosados físicamente a los equipos de protección de baja tensión, estos equipos pueden ser, interruptores termomagnéticos que hacen parte de los circuito de alimentación, guardamotores que son protecciones del circuito de fuerza o reles los cuales componen circuitos de control.. Grafico 17. Tipos de circuitos de señalización.. Las señales en algunos casos son tomadas directamente de los elementos de protección del transformador y son repetidas unas cuantas veces dependiendo de la utilización de reles que poseen una serie de contactos, que actúan como una señal independiente permitiendo así que los operadores tengan varias opciones a la hora de coordinar sus equipos, la velocidad de reacción de los equipos debe ser tal que permite que las protecciones o dispositivos aguas a bajo actúan de una manera correcta.. 34.

(36) Grafico 18. Circuito de señalización utilizando reles repetidores.. Circuitos de protecciones del transformador Como bien hemos visto, el transformador posee una serie de accesorios de protección los cuales están internamente constituidos por una serie de elementos electromecánicos, habitualmente contactos secos, que permiten transmitir señales que equivalen al accionamiento de los equipos; esta serie de contactos son aglomerados en un circuito que es la interfase del transformador con las protecciones de las subestaciones. La subestación a su vez esta conformada por una serie de elementos de bahía, habitualmente dispositivos electrónicos (protecciones diferenciales), que darán la orden respectiva a los seccionadores, interruptores de potencia, etc. de actuar. El circuito de protecciones del transformador es una representación grafica de los accesorios y se dividen en elementos que proporcionan señales de alarma, que funcionan como advertencias para el operador con el fin de que este realice una maniobra correctiva antes de que la situación sea mas grave, o elementos que proporcionan señales de disparo que por su naturaleza desconectan el transformador debido a que la falla atenta con el equipo y presenta una situación de alto riesgo.. 35.

(37) Adicionalmente en estos circuito se encuentran todos los sensores que pueden tener diferente naturaleza de señal (PT100, resistiva, corriente 4-20 mA, voltaje 0-1 V), equipos de regulación ya sean manuales o automáticos y transformadores de corriente los cuales son utilizados como dispositivos de medida o protección.. Grafico 19. Circuito de elementos de protección del transformador.. Circuitos de monitoreo y sistemas electrónicos de protección Debido a los adelantos tecnológicos y la aparición de circuitos electrónicos integrados, los sistemas de potencia han evolucionado en sus sistemas de control, monitoreo y protección implementando herramientas digitales, las cuales permiten de una manera más rápida y eficiente predecir o reaccionar ante las necesidades del mismo. Estos dispositivos integran una serie de señales las cuales permiten coordinar protecciones, accionar otros dispositivos e informar el estado de funcionamiento del transformador. Por tal razón existe la necesidad de crear circuitos destinados no solo a suplir una alimentación de corriente alterna o directa, sino el generar un enlace bidireccional de información con el objetivo de ser analizada y evaluada a la hora de realizar una operación en el transformador.. 36.

(38) Grafico 20. Interfaz grafica de un sistema de monitoreo en línea del transformador marca ABB. Entre estos dispositivos que son considerados accesorios en el transformador se encuentran los cambiadores bajo carga los cuales poseen un sistema denominado mando motor donde se controla la conmutación de los taps ya se por el lado de alta o baja tensión con el fin de cumplir unos estándares de regulación que garantizan los niveles de tensión a ser entregados a las cargas del transformador, ligado con este sistema se encuentran dispositivos digitales que permiten tener un ancho de banda de regulación, controlar tiempos de conmutación, realizar secuencias de paralelismo entre varios transformadores, visualización remota de la posición del tap etc., permitiendo la no presencia de personal y el control a distancia de la regulación. Sistemas de monitoreo de temperaturas en el aceite y los devanados, que permiten el desarrollo de algoritmos que pronostican y predicen el desgaste térmico que sufre el transformador y permite la detección de fallas denominadas puntos calientes. Sistemas analizadores de gases y humedad las cuales son dos variables importantes a la hora de realizar un diagnostico en el transformador ya se con carácter de un mantenimiento predictivo o correctivo.. 37.

(39) Conservator tank membrane/bag monitoring. Bushing Monitoring. Temperature Monitoring. OLTC control a nd monitoring. Gas a nd Moisture in Oil. Dry conta cts a nd mA signals. Grafico 21. Ilustración de diversos equipos de monitoreo en diferentes partes del transformador. Sistemas analizadores de cargabilidad, utilizando las corrientes que fluyen a través de las fases del transformador permitiendo al operador detectar periodos de sobrecarga del sistema con el objetivo de optimizar acciones como lo es el encendido de los sistemas de enfriamiento, el accionar de reconectaodres y protecciones de potencia, y así mismo controlar la vida útil del transformador. Sistema de recirculación del aceite eliminando impurezas y presencia de humedad en el agente refrigerante del transformador con lo cual se esta garantizando un tiempo mas prolongado de funcionamiento del transformador y evitar el deterioro de los aislamientos. Por estos y muchos mas adelantes que se generan día a día en el área de los sistemas de potencia y específicamente en los transformadores se tiene que disponer de una interfase entre señales analógicas y digitales que estarán presentes en las nuevas unidades creadas por los diferentes fabricantes. Sistemas de comunicación Como valor agregado de los dispositivos digitales se encuentran enlaces de comunicación los cuales no son mas que caminos para envió y recepción de información por medio de protocolos de comunicación como es MODBUS, DNP3.0, IEC61850, TCP/IP etc., los cuales utilizan diferentes puertos y conexiones, CANBUS, RJ45, RS232, RS485, fibra óptica, esto permite entrar a una nueva modalidad de subestaciones desatendidas y controles remotos por medio de centros de control.. 38.

(40) Todos estos sistemas de comunicación también deben ser contemplados dentro de los circuitos teniendo en cuenta que estos darán la alimentación y la forma de conexión entre los diferentes dispositivos.. Grafico 22. Representación grafica de un sistema de comunicaciones entre el transformador y la subestación.. Teniendo la presencia de todos estos elementos, accesorios y circuitos, el mercado de los sistemas de potencia suple su necesidad utilizando herramientas de diseño que permiten obtener el mejor aprovechamiento de estos dispositivos, el ahorro en tiempo y costos ,y la generación de las mejores aplicaciones que se pueden presentar en el entorno, teniendo en cuenta que la demanda de soluciones eficientes y económicas esta mas latente en el mercado de la energía eléctrica y es el que permite en la mayoría de los casos el sostenimiento de entidades y fabricantes.. 39.

(41) CAPITULO 3 INTRODUCCION AL “ELCad”, DESARROLLO DE BASES DE DATOS Y DISEÑO DE DISPOSITIVOS DE CONTROL EN EL “ELCad”. El software “ElCad”, es un software especializado que permite al ingeniero de diseño eléctrico encontrar las mejores alternativas a la hora de realizar circuitos que permitan la protección y el control en sistemas que necesitan de una gran confiabilidad, por tal razón es una herramienta fundamental a la hora de diseñar las protecciones de los transformadores; al ser una herramienta de diseño debe tener el soporte de información necesaria que no solo le de facilidades y ventajas al diseñador sino que también permita que cualquier persona entienda y visualice las funciones de los circuitos y su alcance. El programa posee una serie de áreas de trabajo en la cual se desarrolla todo su potencial, estas están representadas por: • • • • •. Edición de planos Diseño de símbolos Edición de listas Administración de mangueras Bases de datos. Estas áreas permiten optimizar los tiempos de diseño, potencializar los diferentes dispositivos utilizados en los diseños, mejorar los circuitos teniendo en cuenta la función y grado de protección, organización de la información y, manejo adecuado y preciso de los diferentes parámetros que rigen un sistema de control y protección. En el área de edición de planos se realiza una representación grafica de la forma en que se conectan los diferentes dispositivos, con lo cual se pueden identificar las diferentes jerarquías de funcionamiento, puntos de potencial o de alimentación, enclavamiento en cascada de protecciones, adquisición de señales, manejo de la información, sistemas inteligentes, circuitos de servicios auxiliares, representación grafica de la disposición de los elementos, características constructivas, cableado estructural e información relacionada con un eficiente manejo de los equipos. Esta área de trabajo ofrece las herramientas de dibujo necesarias para realizar circuitos gráficos con simplicidad y coherencia, para así, poder generar una información clara con la cual mas adelante se realizara la construcción y elaboración de los circuitos. La plataforma de dibujo es similar a todo software tipo CAD, opciones de generar líneas, puntos, figuras etc., opciones de cortar, pegar y funciones propias del programa como crear conexiones, crear referencias, identificar dispositivos etc.. 40.

(42) Grafico 23. Interfaz grafica del programa de diseño ElCad.. La áreas de diseño de símbolos y edición de listas, son las áreas en las cuales se basa el programa para relacionar los diferentes elementos y la información generada dentro del programa, la información contenida en estas áreas permite que los diseños no tengan errores y se realicen las conexiones de una forma adecuada y coherente, y en ultima instancia permite que se generen las conexiones a los diferentes terminales ya sean de dispositivos o de terminales de conexión.. Grafico 24. Documentación de las diferentes áreas de trabajo del programa Elcad.. La administración de mangueras y las bases de datos son herramientas propias del programa con las cuales se basa para realizar las diferentes aplicaciones, un buen desarrollo de las bases de datos permite aprovechar de una manera óptima las virtudes del programa.. 41.

(43) Para la utilización de esta herramienta de trabajo se necesita de la generación de bases de datos las cuales poseen los elementos que caracterizan los circuitos y permiten la funcionabilidad de las protecciones a la hora de realizar la tarea de mantener el transformador en un óptimo funcionamiento.. Grafico 25. Representación grafica de símbolos en el programa ElCad. La generación de las bases de datos esta directamente relacionada a las necesidades de control, monitoreo, protección y señalización, por tal razón el programa define una serie de características que se ven reflejadas en una serie de códigos y comandos que permiten diferenciar las características de los elementos teniendo en cuenta su prioridad, tipo de accionamiento, velocidad de reacción, tipo de magnitud a sensar, etc. En principio el programa define un orden jerárquico como es el caso de un rele el cual posee una bobina que se energiza y acciona una serie de contactos los cuales dependen de la bobina, de igual manera se encuentran dispositivos que se accionan en cascada a medida que aguas arriba del circuito ocurren una serie de casos ya se por fallas o por control; las bases de datos también relacionan información necesaria a la hora de tomar una decisión de control o protección, por ejemplo niveles de corriente, velocidad de reacción de contactos, niveles de tensión, potencia, esta es información que permite que los diseños sean creados para trabajar en el momento en que se necesitan y que no se encuentren circuitos sobredimensionados o insuficientes a la hora de cumplir su tarea, hay que tener en cuenta que una mala selección causa una perdida de equipos y la perdida de equipos en este ámbito en el área de los transformadores, no es mas que dinero. Adicionalmente el programa posee una serie de información más básica pero que a la hora de ser relacionada en un proceso de producción permite que se mejoren tiempos de elaboración, que se entregue una información necesaria dependiendo de las exigencias de los usuarios finales, un ejemplo de esta información son los formatos de planos los cuales poseen macros o configuraciones que tienen información como nombres de proyecto, códigos de planos, numeración, nombres de fabricantes; diccionarios los cuales de forma automática permiten cambiar todo el texto de los planos de un idioma a otro y simbología dependiendo de las diferentes normativas que rigen la elaboración de estos circuitos (normas IEC o ANSI).. 42.

(44) Todas estas herramientas y áreas permiten que al ser aplicadas en conjunto se tenga un sistema de diseño eficiente, que a la hora de presentar resultados permita controlar tanto calidad como tiempo, demostrando así que es una aplicación que genera buenos resultados. Desarrollo de las bases de datos y diseño de los dispositivos de control Las bases de datos son una plataforma en la cual se encuentra registrados todos y cada uno de los elementos o símbolos (nombre que se dará de ahora en adelante a cada uno de los componente de los sistemas de control y protección), la base de datos posee una configuración en carpetas, estas carpetas representan una característica principal de los componentes por ejemplo se tiene desde los puntos de conexión denominados borneras hasta las manchetas o formatos en los cuales se plasmara la información.. Grafico 26. Clasificación por medio de carpetas de los símbolos en el programa ElCad. 6. Los símbolos están clasificados en tipos, esto determina su comportamiento durante el análisis que realiza el programa para correr sus funciones, ElCad contiene varios tipos de símbolos que reaccionan de forma diferente:. 6. Ver anexo 1 - Tipos de símbolos programa ElCad.. 43.

(45) •. Tipo 1 y 2: Esta clasificación es usada para determinar como se mostraran los símbolos en el árbol de símbolos durante su selección, esto me permite organizar los símbolos en carpetas dependiendo del tipo o función que va a desempeñar dentro de los esquemas de control y protección. Los símbolos tipo 1 se refieren a los símbolos generales y solo pueden ser plasmados en los esquemas una sola vez, estos símbolos son analizables, situación contraria pasa con los tipo 2 los cuales no son analizados y no son colocados en ningún lista de información. Esta clasificación se presenta por defecto en cada uno de los componentes de las bases de datos.. Grafico 27. Representación grafica de un símbolo tipos 1 y 2.. •. Tipo 3: Es denominado de cable truncado, este es usado cuando un circuito debe mostrarse en diversos planos debido a su complejidad, poseen la característica de mostrar no solo la referencia cruzada entre la secuencia de circuito, sino que también permite ver el nombre del destino al cual esta conectado.. Grafico 28. Representación grafica de un símbolo tipo 3.. 44.

(46) •. Tipo 4: Este tipo se refiere a las barras de potencial que al igual que el tipo 3 permiten la relación de esquemas y circuitos entre diferentes planos, la diferencia es que este representa puntos de potencial o alimentación y en su representación grafica solo muestra la referencia cruzada.. Grafico 29. Representación grafica de un símbolo tipo 4.. •. Tipo 5: Es denominado símbolo maestro y es el grupo de componentes generales, los elementos que se encuentran en este tipo poseen una descripción propia y se consideran como los elementos de mas jerarquía entre los tipos, estos símbolos son analizables y son aquellos que permiten la interfase entre la parte grafica del programa y la generación de tablas, hojas de borneras y listas de materiales.. Grafico 30. Representación grafica de un símbolo tipo 5.. 45.

(47) •. Tipo 6: Es denominado símbolo esclavo y tiene una dependencia directa con los símbolos tipo 5, la mayoría de los elementos ubicados en esta categoría corresponde a una función o característica de un elemento maestro y son un componente del mismo.. Grafico 31. Representación grafica de un símbolo tipo 6.. Un ejemplo de un símbolo tipo 5 (maestro) y un símbolo tipo 6 (esclavo) es un rele, el cual es un elemento que esta compuesto por una bobina y contactos, el elemento maestro es el rele y es representado por la bobina y tiene uno o varios elementos esclavos los cuales están compuestos por contactos ya sean de tipo normalmente abierto o normalmente cerrado, el elemento esclavo esta directamente relacionado con el maestro ya que, hasta que la bobina en el rele no se energice, los contactos del rele no actúan dependiendo de su naturaleza.. Grafico 32. Relación entre un símbolo tipo 5 y uno tipo 6.. 46.

(48) •. Tipo 8: Este tipo de símbolo es denominado cable de manguera, y son aquellos elementos que permiten dar la característica al tipo de cable utilizado en la conexión física de los circuitos y de los elementos, este tipo de símbolo permite generar información del calibre, color y composición del cable utilizado y ser plasmada esta información en los cajetines de las hojas de borneras.. •. Tipo 9: Este tipo de símbolo es usado por todos los símbolo de cajetin (de ahora en adelante cajetin se denomina a la mancheta o formato utilizado para colocar la información generada en el programa), estos difieren del resto de símbolos ya que solo se podrán generar planos en ElCad en base a un símbolo de este tipo; el cajetin es uno de los requisitos previos para la creación de planos debido que la administración de los planos se controla con los números de código usados en el símbolo de cajetin.. Grafico 33. Representación grafica de un símbolo tipo 9.. •. Tipo 10, 11 y 12: Estos tipos de elementos son denominados de ventana, son símbolos sin grafico que comparten con una parte de los esquemas o planos una información especifica con el fin de permitir la administración de la información para ser utilizada en la generación de listas, los tipo 10 poseen la característica de administrar la información para generar las listas de materiales de pendiendo de la información que se haya generado en cada unos de los símbolo que componen la base de datos; los tipo 11 no se administran como materiales y por consiguiente no aparecen en las listas y los tipo 12 se usan para dividir la visualización de un componente en varios planos.. 47.