NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA 1031

Transcripción

1 NORMA TÉCNICA NTC COLOMBIANA TRANSFORMADORES. ENSAYOS PARA LA DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS Y CORRIENTE SIN CARGA E: TRANSFORMERS. DETERMINATION OF LOSSES AND CURRENT WITHOUT LOAD. CORRESPONDENCIA: DESCRIPTORES: transformador; ensayo eléctrico; ensayo. 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 Primera 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 CORELCA COMERCIALIZACIÓN DOW CORNING ELECTRIFICADORA DEL ATLÁNTICO EMPRESAS MUNICIPALES DE CALI EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN ELECTRIFICADORA DE SANTANDER ELECTROPORCELANA GAMMA INDUSTRIAS ELKA INDUSTRIAS TYF NAVARRO GONZÁLEZ RIELCO RYMEL INGENIERÍA SENA Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las siguientes empresas: TRANSFORMADORES DE COLOMBIA TRANSFORMADORES SIERRA SIEMENS SERINCA TRANSFORMADORES TPL TESLA TRANSFORMADORES 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. ENSAYOS PARA LA DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS Y CORRIENTE SIN CARGA 1. OBJETO 1.1 Esta norma establece los ensayos a los cuales se deben someter los transformadores, para determinar sus pérdidas y corriente sin carga. 2. DEFINICIONES Para los efectos de esta norma, además de las definiciones establecidas en la NTC 317 se debe tener en cuenta la siguiente : Factor de forma: relación entre el valor eficaz y el valor promedio de una onda. 3. CONDICIONES GENERALES 3.1 Las pérdidas sin carga de un transformador consisten principalmente de las pérdidas en el hierro del núcleo, debidos al campo magnético, y son una función de la magnitud, de la frecuencia, de la máxima densidad de flujo y la forma de onda de la tensión aplicada. Las pérdidas sin carga también varían con la temperatura. 3.2 La corriente y las pérdidas sin carga son particularmente sensibles a las diferencias de la forma de onda, y por consiguiente de la forma de la tensión aplicada. 3.3 La característica distorsionada de la corriente sin carga de un transformador, puede hacer que la tensión del generador presente ondas distorsionadas (de factor de forma diferente de 1,11) y pérdidas diferentes de las que corresponden a una onda sinusoidal (para factores de forma mayor que 1,11 las pérdidas disminuyen y para factores de forma menor que 1,11 aumentan). 3.4 La determinación de las pérdidas sin carga debe hacerse con base en una onda sinusoidal de tensión, a menos que una forma de onda diferente sea inherente a la operación del transformador. 3.5 La lectura de valor promedio absoluto de un voltímetro debe utilizarse para corregir las pérdidas sin carga con una onda sinusoidal de tensión aplicada. 1

4 3.6 En gran parte, las pérdidas sin carga son pérdidas por histéresis y corrientes parásitas éstas son una función de la máxima densidad de flujo en el núcleo, dependiendo de su forma de onda. 3.7 Las pérdidas por histéresis se originan de las propiedades magnéticas de los materiales ferrosos utilizados. 3.8 Las pérdidas por corrientes parásitas en el núcleo ocurren cuando un material conductor experimenta una variación del campo magnético a través del mismo. El núcleo de acero es el mencionado material. Las pérdidas varían con el cuadrado del valor eficaz de la tensión de excitación y son básicamente independientes de la forma de onda de la tensión aplicada. Cuando la tensión de ensayo se mantiene en el valor nominal con el voltímetro que mide valores promedio, el valor eficaz medido de la tensión de ensayo puede no ser el valor eficaz nominal y las pérdidas por corriente parásitas se deben corregir a la tensión nominal por medio de la ecuación establecida en el numeral Muchos otros factores afectan las pérdidas y la corriente sin carga de un transformador. Los factores de diseño que influyen son: el tipo y espesor del acero del núcleo, la configuración del núcleo, la geometría de las uniones del núcleo, y la densidad de flujo del núcleo Los factores que causan diferencias en las pérdidas sin carga en los transformadores del mismo diseño incluyen la variabilidad en las características del acero del núcleo, fatigas mecánicas producidas en la fabricación, variación en la estructura del entrehierro, uniones de núcleo, etc. 4. ENSAYOS 4.1 PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS SIN CARGA POR EL MÉTODO DE VOLTÍMETRO DE LECTURA DE VALORES PROMEDIO ABSOLUTOS, EN TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS La máxima densidad de flujo corresponde al valor promedio absoluto de la tensión (no al valor eficaz, rms) y por consiguiente, si el valor promedio de la tensión se ajusta para que sea igual al valor promedio de la onda sinusoidal de tensión deseada y se mantiene la frecuencia apropiada, las pérdidas por histéresis deben ser las correspondientes a la onda sinusoidal deseada Si la onda de flujo tiene más de un máximo y un mínimo por ciclo, la lectura promedio del voltímetro no es correcta y la onda de tensión no debe utilizarse Este método emplea dos voltímetros conectados en paralelo; uno es un voltímetro de valores promedio y el otro de valor eficaz. La tensión de ensayo se ajusta al valor leído por el voltímetro de valores promedio. Las lecturas de ambos voltímetros son empleadas para corregir las pérdidas sin carga a una base de onda sinusoidal, utilizando la ecuación dada en el numeral La Figura 1 muestra la conexión y el equipo necesario cuando no se requiere transformador de medida. 2

5 F = Frecuencimetro A =Amperímetro W = Vatímetro V = Voltímetro VP = Voltímetro de lectura de valores promedio Figura 1. Esquema de la instalación cuando no se requiere transformador de medida Cuando se requiera transformador de medida, la Figura 2 muestra su conexión y el equipo necesario En la Figura 1, los voltímetros deben conectarse cerca de la carga, con el amperímetro de la fuente y el vatímetro conectado entre los dos, con la bobina de potencial en el lado de la carga y la de corriente en el lado de la fuente Cuando se usen transformadores de medida para medir las pérdidas sin carga, éstos deben ser de una exactitud en concordancia con la NTC F = Frecuencimetro A = Amperímetro W = Vatímetro TP = Transformador de potencial V = Voltímetro VP = Voltímetro de valor promedio TC = Transformador de corriente Figura 2. Esquema de la instalación cuando se requiere transformador de medida 3

6 4.1.8 Si se desea se pueden utilizar resistencias multiplicadoras en serie con la bobina de potencial del instrumento en lugar de transformadores de potencial. En tal caso debe tenerse cuidado para que su uso sea seguro y además dichas resistencias deben calibrarse con el instrumento Se deben utilizar vatímetros análogos de bajo factor de potencia o digitales, según la NTC 2743 para que los resultados sean correctos Puede utilizarse cualquiera de los devanados de alta o de baja tensión del transformador que se ensaya, pero es más conveniente utilizar el devanado de baja tensión para este ensayo. Se debe utilizar todo el devanado para este ensayo. Si por alguna razón sólo es posible utilizar una porción del devanado, dicha porción no debe ser inferior al 25 % del devanado Durante el ensayo se ajusta la frecuencia al valor indicado, utilizando el frecuencímetro, esta frecuencia de prueba debe estar dentro de ± 0,5 % del valor de frecuencia nominal del transformador bajo prueba Se toman lecturas de frecuencia, tensión eficaz (rms), tensión promedio, potencia, corriente y temperatura. Luego se desconecta el transformador bajo ensayo, se lee el valor en el vatímetro, el cual presenta las pérdidas en los instrumentos conectados ( y el transformador de potencial si se usa). Este valor debe restarse de la lectura anterior del vatímetro, para obtener las pérdidas sin carga del transformador bajo ensayo El valor correcto de las pérdidas totales sin carga del transformador se puede determinar por medio de la siguiente ecuación: P ( T ) = c m Pm P + kp 1 2 Donde: P c (T m ) = pérdidas sin carga, corregidas por forma de onda a temperatura T m P m = pérdidas sin carga medidas a temperatura T m P 1 = pérdidas por histéresis por unidad, referidas a P m P 2 = pérdidas por corrientes parásitas, referidas a P m T m = a) Para transformadores sumergidos en líquido es la temperatura del líquido en el punto superior al momento de prueba en C b) Para transformadores secos la temperatura promedio del núcleo entre la parte superior y la inferior. Ur k = U a U r = tensión de prueba medida por el voltímetro de lecturas de valor eficaz (r.m.s) 2 4

7 U a = tensión de prueba medida por el voltímetro de lecturas de valor promedio La ecuación anterior es válida para tensiones de ensayo con distorsión moderada de la forma de onda. Si la distorsión de la forma de onda en la tensión de ensayo causa que la magnitud de la corrección (k) sea mayor que 5%, entonces la forma de onda de la tensión de ensayo debe ser mejorada para una adecuada determinación de las pérdidas y de la corriente sin carga Los valores reales de pérdidas por histéresis por unidad y de pérdidas por corrientes parásitas deben ser utilizados si están disponibles. Si los valores reales no están disponibles, se sugiere que los dos componentes de pérdidas sean asumidos iguales en valor, asignándole a cada uno un valor de 0,5 en por unidad. 4.2 DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS SIN CARGA EN TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS El método descrito anteriormente para transformadores monofásicos es aplicable a transformadores trifásicos, con las siguientes adiciones y modificaciones : Las pruebas para la determinación de las pérdidas sin carga de un transformador trifásico deben ser realizadas utilizando el método de los tres vatímetros. La Figura 3 es una representación esquemática del equipo y las conexiones necesarias para realizar las mediciones de las pérdidas sin carga de un transformador trifásico cuando son necesarios transformadores de medida Se hacen medidas con tres vatímetros, conectando cada circuito potencial entre una línea y el neutro de las tres fases cuando se dispone de éste (Véase la figura 3). Las tres lecturas deben sumarse algebraicamente para obtener las pérdidas sin carga. Si no se dispone de neutro puede derivarse un neutro artificial. Figura 3. Esquema de la instalación para determinar las pérdidas con tres vatímetros N : Para Transformadores con devanados en YA, B, C : Para transformadores con devanados en D 5

8 Nota. El neutro de la fuente debe estar disponible para transformadores conectados YY cuando no están presentes devanados en delta que suministren trayectorias de retorno desde el neutro del transformador. Los voltímetros deben ser conectados línea neutro para devanados conectados en Y, o línea - línea para devanados conectados en delta Cuando se corrige a una base de onda sinusoidal utilizando el método del voltímetro de voltaje promedio, debe prestarse atención a las conexiones del voltímetro, porque la forma de la onda de voltaje línea a línea puede diferir de la forma de onda de voltaje línea a neutro. Por tanto, dependiendo de si los devanados del transformador energizado durante la prueba están conectados D o Y, las conexiones de los voltímetros deben ser tales que la forma de onda aplicada a ellos sea la misma que la forma de onda a través de los devanados energizados La tensión de ensayo se ajusta al valor leído por el voltímetro de valor promedio. Para transformadores trifásicos este valor es el promedio de las lecturas de los tres voltímetros de valor promedio La corriente sin carga de un transformador usualmente es expresada en por unidad o en porcentaje del rango de corriente de la línea del devanado en el cual es medida. Para un transformador trifásico la corriente se calcula con el promedio de las magnitudes de las tres corrientes de línea. 4.3 CORRECCIÓN POR TEMPERATURA DE LAS PÉRDIDAS SIN CARGA Se requiere una temperatura de referencia cuando se expresan pérdidas sin carga porque estas varían con la temperatura del núcleo. La temperatura de referencia estándar, T r, para pérdidas sin carga de transformadores es 20 C El decrecimiento observado en las pérdidas sin carga por un incremento en la temperatura resulta de muchos mecanismos que actúan juntos. Los cambios en la resistividad del acero del núcleo, cambios en las fatigas mecánicas en la estructura del núcleo, y variaciones en los gradientes de temperatura en el núcleo causan que las pérdidas sin carga cambien con la temperatura. Debido a que estos factores varían de diseño en diseño y también entre transformadores del mismo diseño, no es práctico especificar una fórmula exacta para cuantificar la variación de temperatura en todo el rango el rango temperatura de operación de los transformadores Sin embargo, variaciones ordinarias de temperatura presentadas durante la ejecución de la prueba de pérdidas sin carga, no afectan significativamente las pérdidas sin carga y no se necesita hacer las correcciones por temperatura, si las siguientes consideraciones se cumplen: Para transformadores sumergidos en líquido refrigerante: a) La temperatura del líquido refrigerante en el nivel superior está entre ±10 C de la temperatura referencia, T r b) La diferencia entre las temperaturas del nivel superior y del fondo no exceden los 5 C. 6

9 Para transformadores secos: a) La temperatura de la parte superior del núcleo está entre ±10 C de la temperatura referencia, T r b) La diferencia entre las temperaturas del nivel superior e inferior no exceden los 5 C Si se realiza la prueba con temperaturas fuera de los rangos especificados, la siguiente fórmula empírica puede ser utilizada para corregir las pérdidas medidas sin carga a la temperatura referencia: ( ) = ( )( 1 + ( ) ) P T P T T T K r r c m m r T Donde: P r (T r ) = P c (T m ) = pérdidas sin carga corregidas a la temperatura estándar de referencia, T r pérdidas sin carga, corregidas por forma de onda, a la temperatura T m Tr = temperatura estándar de referencia, en C K T = es un valor empírico en por unidad del cambio en las pérdidas sin carga por C Si el valor real de K T no está disponible, se debe emplear un valor de por unidad de cambio por C. Este valor es típico para núcleos construidos de acero al silicio de grano orientado y es satisfactorio como una corrección para pérdidas sin carga en casos donde el transformador debe ser probado fuera del rango de temperatura especificado. 5. APÉNDICE 5.1 NORMAS QUE DEBEN CONSULTARSE Las siguientes normas contienen disposiciones que, mediante la referencia dentro de este texto, constituyen disposiciones 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 de distribución. Terminología. NTC 2743: 1997, Electrotecnia. Campos y procedimientos de prueba para transformadores. 7