NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA 316

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1 NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA TRANSFORMADORES MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL CALENTAMIENTO PARA TRANSFORMADORES SUMERGIDOS EN LÍQUIDO REFRIGERANTE E: TRANSFORMERS. HEATING TEST FOR TRANSFORMER INMERSED IN COOLING CORRESPONDENCIA: DESCRIPTORES: transformador de potencia; transformador de distribución; ensayo de calentamiento. I.C.S.: Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado Santafé de Bogotá, D.C. - Tel Fax Prohibida su reproducción Segunda actualización

2 PRÓLOGO El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de El ICONTEC es una entidad de carácter privado, sin ánimo de lucro, cuya Misión es fundamental para brindar soporte y desarrollo al productor y protección al consumidor. Colabora con el sector gubernamental y apoya al sector privado del país, para lograr ventajas competitivas en los mercados interno y externo. La representación de todos los sectores involucrados en el proceso de Normalización Técnica está garantizada por los Comités Técnicos y el período de Consulta Pública, este último caracterizado por la participación del público en general. La fue ratificada por el Consejo Directivo el Esta norma está sujeta a ser actualizada permanentemente con el objeto de que responda en todo momento a las necesidades y exigencias actuales. A continuación se relacionan las empresas que colaboraron en el estudio de esta norma a través de su participación en el Comité Técnico Transformadores. ABB CIDET CODENSA COMERCIALIZACIÓN CORELCA DOW CORNING ELECTRIFICADORA DE SANTANDER ELECTRIFICADORA DEL ATLÁNTICO ELECTROPORCELANA GAMMA EMPRESAS MUNICIPALES DE CALI EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN INDUSTRIAS ELKA INDUSTRIAS T y F NAVARRO GONZÁLEZ RIELCO RYMEL INGENIERÍA SENA SERINCA SIEMENS TESLA TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES DE COLOMBIA TRANSFORMADORES SIERRA TRANSFORMADORES TPL UNIVERSIDAD DEL VALLE UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA El ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales. DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN

3 TRANSFORMADORES MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR EL CALENTAMIENTO PARA TRANSFORMADORES SUMERGIDOS EN LÍQUIDO REFRIGERANTE 1. OBJETO Esta norma establece el método de ensayo que permite determinar los parámetros térmicos, las temperaturas de los devanados y del líquido refrigerante de los transformadores. Los resultados sirven como base para determinar la cargabilidad de los transformadores objeto de este ensayo. 2. DEFINICIONES Para los efectos de esta norma se establecen las definiciones dadas en la NTC CONDICIONES GENERALES Los transformadores deben ensayarse con la combinación de conexiones y derivaciones que produzcan la más alta elevación de temperatura en los devanados. Estos factores los determina el fabricante y los revisa el representante del comprador, cuando esté disponible. El procedimiento que se describe en esta norma, involucra conexiones y derivaciones que dan como resultado las más altas pérdidas. Todos los ensayos de calentamiento deben realizarse bajo condiciones normales (o equivalentes a la normal) de sus propios medios de enfriamiento. Se deben respetar los siguientes parámetros: a) El transformador debe estar completamente ensamblado y lleno de líquido hasta el nivel indicado a temperatura ambiente. b) Cuando el transformador esté equipado con indicadores térmicos, transformadores de corriente tipo pasatapa, o similares, tales dispositivos deben estar ensamblados con el transformador. c) El ensayo de calentamiento debe realizarse en un recinto que esté tan libre de ráfagas de aire como sea posible. 1

4 d) Antes de iniciar el ensayo y de energizar el transformador, es necesario efectuar la medida de resistencia óhmica de los devanados, de acuerdo con la metodología establecida en la NTC 375; esta resistencia se conoce como resistencia en frío de los devanados (Ro). Luego se registra la temperatura del devanado igual a la temperatura del líquido refrigerante. 4. ENSAYO 4.1 MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA AMBIENTE Transformadores refrigerados por aire Para transformadores con refrigeración por aire, la temperatura ambiente debe registrarse como la temperatura del aire circundante; no debe ser menor que 10 C ni mayor que 40 C. Para temperaturas dentro de este rango, no debe aplicarse ningún factor de corrección. El ensayo puede realizarse a temperaturas fuera de este rango cuando los factores apropiados de corrección estén disponibles. La temperatura del aire circundante debe determinarse por al menos tres termocuplas o termómetros, colocados en contenedores espaciados uniformemente alrededor del transformador bajo ensayo. Los contenedores deben localizarse a una altura cercana a la mitad de la altura del transformador y a una distancia de 1 m a 2 m del transformador. Deben estar protegidos de ráfagas de aire y del calor radiante del transformador bajo ensayo u otras fuentes. Cuando la constante de tiempo del transformador, calculada de acuerdo con la GTC 50, resulte de 2 h o menos, la constante de tiempo de los contenedores debe estar entre el 50 % y el 150 % de la del transformador bajo ensayo. Cuando la constante del transformador bajo ensayo resulte de mas de 2 h, la constante de tiempo del contenedor debe estar dentro de un límite de 1 h de la del transformador bajo ensayo La constante de tiempo de los contenedores debe tomarse como el tiempo necesario para que su temperatura cambie 6,3 C cuando la temperatura ambiente cambia abruptamente 10 C Transformadores refrigerados por agua Para transformadores refrigerados por agua, la tasa de flujo en litros por minuto y la temperatura del agua de entrada y salida debe medirse. La temperatura ambiente debe registrarse como la del agua de entrada y no debe ser menor que 20 C ni mayor que 30 C. Para temperaturas dentro de este rango, no debe aplicarse ningún factor de corrección. El ensayo puede realizarse a temperaturas fuera de este rango, cuando factores apropiados de corrección estén disponibles. 4.2 MEDICIÓN DE LA ELEVACIÓN DE TEMPERATURA DEL LIQUIDO La elevación de temperatura del líquido es la diferencia entre la temperatura del líquido y la temperatura ambiente. La elevación final de temperatura del líquido sobre el ambiente se logra cuando la elevación de la temperatura no varíe mas que 2,5 % ó 1 C, el que sea mayor, durante un período consecutivo de 3 h. Es posible acortar el período requerido para el ensayo mediante el uso de sobrecargas iniciales, restricción de la refrigeración, etc. 2

5 to = To - Ta (1) Donde: to = elevación de temperatura del líquido, en grados Celsius To = temperatura superior del líquido, en grados Celsius Ta = temperatura ambiente, en grados Celsius La temperatura superior del líquido debe medirse mediante una termocupla o termómetro apropiado, inmerso aproximadamente cincuenta milímetros bajo la superficie superior del líquido La temperatura promedio del líquido debe registrarse y ser igual a la temperatura superior del líquido menos la mitad de la diferencia en temperatura del líquido entre la parte superior y la inferior del equipo de refrigeración principal. Donde la temperatura de la parte inferior del líquido no pueda ser medida directamente, la diferencia de temperatura puede ser registrada como la diferencia entre la temperatura de la superficie a la entrada y la salida del elemento refrigerador. Tom = To - (Tos - Toi)/2 (2) Donde: To m = temperatura promedio del líquido, en grados Celsius Tos = temperatura del líquido en la parte superior del equipo de enfriamiento, en grados Celsius Toi = temperatura del líquido en la parte inferior del equipo de enfriamiento, en grados Celsius El método preferido de medida de temperatura de superficie es el de termocupla (véase el numeral 4.4 para métodos de medición) Cuando el transformador bajo ensayo no posea radiadores, se ubican las termocuplas o termómetros en las alturas determinadas así: - Nivel superior: altura media entre el nivel superior del aceite y el extremo superior del devanado. - Nivel inferior: altura media entre la base y el extremo inferior del devanado. 3

6 4.3 MEDICIÓN DE LA ELEVACIÓN DE TEMPERATURA PROMEDIO DE DEVANADOS La elevación de temperatura promedio de un devanado debe ser la temperatura promedio del devanado menos la temperatura ambiente. t = T pd T amb La temperatura promedio de los devanados debe determinarse por el método de la resistencia. Cuando resulte imposible emplear el método de la resistencia (por ejemplo, con bobinas de resistencia extremadamente baja) se pueden usar otros métodos. Después del corte, pueden tomarse las lecturas tan pronto como sea posible, permitiendo que transcurra el tiempo suficiente para que los efectos inductivos desaparezcan, como se indicó para la medición de la resistencia en frío en la NTC 375. El tiempo que transcurre desde el instante de corte para cada medición de resistencia debe registrarse. Los ventiladores y el agua de enfriamiento deben apagarse durante el corte para la medición de resistencias. Las bombas de aceite pueden apagarse o mantenerse funcionando durante el corte para la medición de resistencias. La temperatura promedio de un devanado debe determinarse por la siguiente fórmula: T R R = (Tk + To) Tk (3) o Donde: T = temperatura promedio del devanado correspondiente a la resistencia en caliente R, en grados Celsius To = temperatura a la cual se midió la resistencia en frío, en grados Celsius Ro = resistencia en frío, medida de acuerdo a la NTC 375, en ohmios R = resistencia en caliente, en ohmios Tk = 234,5 C para cobre, y 225,0 C para aluminio Nota 1. El valor de Tk puede ser tan alto como 230,0 C para algunas aleaciones de aluminio Corrección de temperatura al instante de corte Cualquiera de los dos procedimientos siguientes de factor de corrección deben usarse dependiendo de la densidad de pérdidas en el devanado. Para esa determinación, la densidad de pérdidas en el devanado conectado debe tomarse como la suma del cálculo de las I 2 R y las pérdidas de eddy referidas a la elevación de temperatura nominal de los devanados más 20 C dividido por el peso calculado del conductor del devanado Método empírico. Este método puede utilizarse para transformadores típicos construidos de acuerdo con los requerimientos de las NTC cuando las pérdidas del devanado no excedan de 66 W/kg (30 W/lb) para el cobre, ó 132 W/kg (60 W/lb) para el aluminio. 4

7 En cada devanado, debe tomarse una lectura de resistencia en caliente, el tiempo después del corte registrado y la correspondiente temperatura determinada. Todas las lecturas de resistencia en caliente deben realizarse dentro de los 4 min siguientes después del corte; si todas las lecturas no pueden tomarse dentro de los 4 min el ensayo de calentamiento debe reiniciarse durante una hora, después de la cual las lecturas pueden tomarse de nuevo. La corrección de la temperatura al instante del corte se debe hacer adicionando al valor calculado en la ecuación 3 el número de grados igual al factor tomado de la Tabla 1 multiplicado por los W/kg (W/lb) del devanado. Factores para tiempos intermedios pueden ser obtenidos por interpolación. Cuando las pérdidas en el devanado no excedan de 15 W/kg (7 W/lb) para el cobre, ó 31 W/kg (14 W/lb) para el aluminio, puede utilizarse una corrección de 1 C/min. Tabla 1. Factor de corrección de la temperatura del devanado al instante del corte Tiempo después del corte (min) Factor de corrección de la temperatura del devanado Factor para W/kg Factor para W/lb Cobre Aluminio Cobre Aluminio 1 0,09 0,032 0,19 0,07 1,5 0,12 0,045 0,26 0,10 2 0,15 0,059 0,32 0,13 3 0,20 0,059 0,43 0,17 4 0,23 0,095 0,50 0, Método de la curva de enfriamiento. Se realiza una serie de al menos cuatro lecturas de resistencia en una fase de cada devanado y se registra el tiempo para cada lectura. La primera lectura de cada serie debe hacerse tan pronto como los efectos inductivos hayan desaparecido y no mas allá de 4 min después del corte. Después de que se toman una serie de lecturas de resistencias no sobrepasando de 10 min debe reiniciarse el ensayo por un período de 1 h, después del cual pueden tomarse lecturas posteriores. Este procedimiento debe repetirse hasta que se tomen todas las lecturas necesarias. Los datos de resistencia/tiempo deben graficarse en un papel de coordenadas apropiado y la curva resultante debe extrapolarse para obtener la resistencia en el instante del corte. Esta resistencia debe usarse para obtener la temperatura promedio del devanado al momento del corte. Los datos de resistencia/tiempo obtenidos en una fase de una bobina pueden usarse para determinar el factor de corrección al momento del corte en las demás fases de la misma bobina, teniendo en cuenta que la primera lectura en cada una de las otras fases se ha tomado dentro de los 4 min siguientes al corte. 4.4 OTRAS MEDICIONES DE TEMPERATURA Cuando se requiera, la elevación de temperatura de otras partes metálicas diferentes a la bobina debe determinarse por el uso de una termocupla o termómetro apropiado. 5

8 Una termocupla es el método preferido de medición de temperatura de superficie. Cuando se usa para este propósito, la termocupla puede soldarse a la superficie. Cuando esto no resulte práctico, la termocupla puede soldarse a una placa metálica delgada o fleje de aproximadamente 625 mm² (25 mm x 25 mm). La placa debe mantenerse ajustada y firme contra la superficie. La termocupla debe estar aislada térmicamente del medio circundante. La temperatura superficial de las partes metálicas adyacentes o que rodean a los terminales de salida o a los terminales que llevan altas corrientes, puede medirse a intervalos o inmediatamente después del corte. Figura 1. Aplicación de termómetros o termocuplas a una superficie 4.5 MÉTODOS DE ENSAYO Los ensayos deben hacerse por uno de los siguientes métodos. 1) Carga real 2) Carga simulada Carga real a) El método del cortocircuito, en el que las pérdidas totales se producen por el efecto de una corriente apropiada de cortocircuito. b) El método de carga inversa (oposición), en el que el voltaje y la corriente nominal se inducen en el transformador bajo ensayo. El método de la carga real es el método más preciso, pero los requerimientos de energía son excesivos para transformadores de gran capacidad. Los transformadores de poca potencia pueden ensayarse bajo condiciones de carga real, cargándolos con reóstatos, banco de bombillas, caja de agua, etc Carga simulada Método de cortocircuito 6

9 a) Se ponen en cortocircuito uno o más devanados y se circula suficiente corriente a frecuencia nominal con el fin de producir pérdidas totales para la conexión y la capacidad nominal. Las pérdidas totales deben medirse en concordancia con la NTC 1005 y NTC 1031 y convertirse a la elevación de temperatura de diseño de los devanados nominal más 20 C. b) Determinar la elevación de la temperatura en el líquido de acuerdo con el numeral 4.2 c) Inmediatamente, se reduce la corriente en el devanado al valor nominal de la conexión y potencia usada, manteniéndola constante por una hora, se mide la temperatura del líquido, se realiza el corte y se mide la temperatura promedio de los devanados como se describió en el numeral 4.3. Cuando el equipo de prueba presente limitaciones, es permisible operarlo a un valor más bajo que la corriente nominal, pero no menor que el 85 % de ella. d) La elevación promedio de los devanados debe calcularse usando la elevación superior del líquido o la elevación promedio del líquido. Cuando se emplee una corriente en el devanado diferente a la nominal, debe usarse el método de la elevación promedio del líquido para determinar la elevación en los devanados. 1) En el método de la elevación superior del líquido, la elevación de temperatura promedio de los devanados es igual a la elevación de temperatura del líquido, medido durante el período a pérdidas totales, más la cantidad (temperatura promedio de los devanados en el momento del corte, menos la temperatura superior del líquido al momento del corte). Donde: t = toe + (T - Toc) (4) t = elevación de temperatura promedio de los devanados, en grados Celsius. toe = elevación temperatura superior del líquido a pérdidas totales (estabilización), en grados Celsius Toc = temperatura superior del líquido al corte, en grados Celsius R Ro T = T = (Tk + To) Tk 2) En el método de la elevación promedio del líquido, la elevación promedio del devanado es la elevación promedio en el líquido, medido durante la prueba a pérdidas totales, mas la cantidad (temperatura promedio de los devanados en el momento del corte, menos la temperatura promedio del líquido al momento del corte). 7

10 t = tome + (T - Tomc) (5) Donde: t = elevación de temperatura promedio de los devanados, en grados Celsius. tome = elevación de la temperatura promedio del líquido a pérdidas totales (estabilización), en grados Celsius Tomc = temperatura promedio del líquido al corte, en grados Celsius. Cuando la corriente mantenida en alguno de los devanados está por debajo de la corriente nominal, la diferencia observada entre la temperatura promedio del devanado al momento del corte y la temperatura promedio del líquido al corte debe corregirse para dar la elevación de temperatura promedio del devanado a corriente nominal, mediante el uso de la siguiente fórmula: 2m corriente nominal Tc = Tod corriente de prueba (6) Donde: Tc = diferencia corregida entre la temperatura promedio del devanado referida al momento del corte, y la temperatura promedio del líquido al corte. Tod = diferencia observada entre la temperatura promedio del devanado, referida al momento del corte y la temperatura promedio del líquido al corte. m = 0,8 para transformadores clase OA y FA y clase con flujo indirecto FOA y FOW, y 1,0 para clase con flujo directo FOA y FOW La elevación promedio del devanado corregida es igual a la elevación promedio del líquido, medido durante el ensayo a pérdidas totales, más Tc t = Tome + Tc (7) Método de carga inversa (oposición) Dos transformadores idénticos pueden ensayarse conectando sus respectivos devanados de alta tensión y baja tensión en paralelo (véanse las Figuras 2 y 3). Se aplica la tensión nominal a frecuencia nominal a un juego de devanados. Se hace circular corriente abriendo las conexiones del otro par de devanados y aplicando una tensión suficiente para obtener la corriente nominal a través de los devanados. Se obtiene la elevación del nivel superior del líquido como se describe en el numeral 4.2. Se hace el corte y se mide la elevación en los devanados como se describe en el numeral

11 Fuente a frecuencia nominal para pérdidas en vacio Transformador de carga Fuente para pérdidas en carga Figura 2. Ejemplo del método de carga inversa (oposición): Transformadores monofásicos Figura 3. Ejemplo del método de carga inversa (oposición): Transformadores trifásicos Cuando se usan corrientes de carga a una frecuencia diferente a la nominal, la frecuencia no puede diferir en más de un 10 % y la elevación del líquido debe corregirse usando uno de los siguientes métodos. 1) Cálculos Este método puede utilizarse cuando las pérdidas reales están dentro del 20 % de las pérdidas requeridas. 9

12 T d W = Tb w n 1 (8) Donde Td = corrección de la elevación del líquido, en grados Celsius Tb = elevación del líquido observada, en grados Celsius W = pérdidas requeridas, en vatios w = pérdidas reales, en vatios n = 0,8 para transformadores clase OA, 0,9 para clase FA, y 1,0 para clase FOA y FOW. Elevación del líquido corregida = elevación del líquido observada + Td Elevación del devanado corregida = elevación del devanado observada + Td 2) Ajuste de pérdidas Cuando la elevación del líquido se aproxima a una condición constante, se ajusta el voltaje de excitación hasta que la suma de las pérdidas en vacío y las pérdidas en carga, como se midieron durante el ensayo de calentamiento, sean iguales a las pérdidas requeridas. Se obtiene la elevación superior del líquido como se describe en el numeral CORRECCIÓN DE ELEVACIONES DE TEMPERATURA POR DIFERENCIAS EN ALTITUD Cuando los ensayos se realizan a una altitud de m o menos, ninguna corrección por altitud debe aplicarse a las elevaciones de temperatura. Cuando un transformador se ensaya a una altitud menor o igual a m y va a operarse a una altitud por encima de los m, se deben asumir que las elevaciones de temperatura se incrementen en concordancia con la siguiente fórmula: ( ) T = T A / A 1 F (9) A e o Donde TA = incremento en la elevación de temperatura a una altitud de A metros, en grados Celsius Te = elevación de temperatura observada, en grados Celsius A = altitud, en metros 10

13 Ao = igual a 1 000, en metros F = 0,04 para modo de autoenfriamiento y 0,06 para refrigeración por aire forzado. 4.7 CRITERIO DE ACEPTACIÓN DEL ENSAYO Se considera que el transformador ha cumplido con los requisitos del ensayo, cuando una vez efectuadas las correcciones anteriores el resultado de la elevación promedio de temperatura de los devanados, comparado con el valor especificado o normalizado, es menor o igual a 65 C 5. APÉNDICE NORMAS QUE DEBEN CONSULTARSE Las siguientes normas contienen disposiciones que, mediante la referencia dentro de este texto, constituyen la integridad de esta norma. En el momento de la publicación eran válidas las ediciones indicadas. Todas las normas están sujetas a actualización; los participantes, mediante acuerdos basados en esta norma, deben investigar la posibilidad de aplicar la última versión de las normas mencionadas a continuación. NTC 317:1994, Electrotecnia. Transformadores de potencia y distribución. Terminología NTC 375:1970, Transformadores. Medida de la resistencia de los devanados NTC 1005:1975, Transformadores. Determinación de la tensión de cortocircuito NTC 1031:1975, Transformadores. Determinación de pérdidas y corriente sin carga GTC 50:1997, Electrotecnia. Transformadores de distribución sumergidos en líquido refrigerante con 65 C de calentamiento en los devanados. Guía de cargabilidad. 11