Proteccion Del Transform Ad Or

5Tema

REGULACIN, CONTROL Y PROTECCIN DE MQUINAS ELCTRICAS

Apuntes de la asignatura

Proteccin del transformador

DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA Y ENERGTICA

Universidad de Cantabria

Mario Maana Canteli Despacho S2-53 Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicacin Avda. Los Castros s/n, 39005 Santander Telfono 942 201378 Fax 942 201385 http://www.diee.unican.es/diee/mmc_1.html [email protected]

Tabla de contenidoIntroduccin .................................................................................................................................................. 2 Fallos en el transformador............................................................................................................................ 4 Condiciones externas.................................................................................................................................. 4Sobrecarga................................................................................................................................................................................................................ 4 Cortocircuito ............................................................................................................................................................................................................ 5 Sobretensin / Reduccin de frecuencia.................................................................................................................................................................. 6 Condiciones ambientales adversas .......................................................................................................................................................................... 6 Ciclos de trabajo ...................................................................................................................................................................................................... 8 Rgimen continuo normal.................................................................................................................................................................................. 10 Rgimen cclico normal ..................................................................................................................................................................................... 10

Fallos internos........................................................................................................................................... 13Cortocircuitos entre espiras en la misma fase ....................................................................................................................................................... 13 Cortocircuitos entre espiras en fases distintas ....................................................................................................................................................... 13 Defectos fase carcasa .......................................................................................................................................................................................... 14 Defectos en el circuito magntico ......................................................................................................................................................................... 14 Defectos en el conexionado / aisladores................................................................................................................................................................ 15 Defectos en el sistema de refrigeracin................................................................................................................................................................. 15

Deteccin de fallos en transformadores...................................................................................................... 16 Deteccin elctrica ................................................................................................................................... 16 Deteccin mecnico-qumica ................................................................................................................... 17 Magnetizacin del transformador ............................................................................................................. 17 Resumen de las protecciones tpicas del transformador ............................................................................. 20 Ejercicios..................................................................................................................................................... 21 Soluciones.................................................................................................................................................... 26 Referencias .................................................................................................................................................. 35

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T R A N S F O R M A D O R

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Proteccin del transformadorEl transformador se encuentra entre las mquinas elctricas ms importantes de todas las existentes en los sistemas elctricos de potencia. Las fronteras de generacin, transporte y distribucin no podran delimitarse sin la existencia de estas mquinas. Su proteccin resulta fundamental, no slo para su supervivencia, sino para la de todo el sistema elctrico.

IntroduccinEl lector conoce ya suficientemente la importancia de los transformadores en los sistemas elctricos de potencia. Desde el punto de vista de su explotacin, la proteccin de estas mquinas frente a fallos, tanto externos como internos resulta vital, debido al coste de los transformadores, especialmente aquellos de gran potencia, unido a los elevados costes asociados a las prdidas de produccin debidas a la ausencia de alimentacin elctrica en la industria Antes de comenzar a analizar los distintos tipos de fallos que se producen en los transformadores, junto con los mecanismos de proteccin que pueden ser utilizados para eliminar los efectos de dichos fallos sobre la mquina, conviene hacer un repaso rpido de los tipos de averas que aparecen en los transformadores, junto con su distribucin estadstica. En la figura 1 se resumen las estadsticas de averas en transformadores de potencia, relativos a EEUU, durante el periodo comprendido entre 1975 y 1982, tal como estn recogidas en la norma IEEE C37.91 [1] dedicada a la proteccin de transformadores de potencia. Para la realizacin de dicha estadstica, se analizaron 1217 transformadores, estableciendo seis grandes grupos de averas, tal como muestra la tabla I. Desde el punto de vista conceptual, las averas en los transformadores son producidas por fallos que se originan, tanto en el interior como en el exterior de la mquina. Se realiza, a continuacin, un repaso rpido de dichos tipos de fallos.

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Tabla I. Distribucin de averas en transformadores de potencia en EEUU durante el periodo 1975-1982 [1]. Elemento averiado 1975-1982 Nmero de fallos 1. Bobinados. 2. Cambiadores de tomas. 3. Terminales 4. Conexionado 5. Circuito magntico 6. Otros fallos TOTAL 615 231 114 71 24 72 1217 % del total 51 19 9 6 2 13 100

terminales 6%

Otros 13%

cambiadores tomas 19% estructura 9% ncleo 2%

bobinados 51%

Figura 1. Estadsticas de averas en transformadores de potencia en EEUU entre 1975 y 1982 (IEEE C37.91-1985 [1])

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Fallos en el transformadorDesde un punto de vista descriptivo, la clasificacin de los diferentes tipos de fallos que pueden aparecer en un transformador, segn la naturaleza de los subsistemas involucrados, plantea varios problemas. Si desde una perspectiva pedaggica puede resultar adecuado analizar de forma separada cada tipo de fallo, no resulta tan evidente en la prctica distinguir el origen primario de una avera. Un transformador quemado puede ser el resultado de uno o varios fallos en su origen, que pueden ir desde una sobrecarga elctrica o trmica mantenida hasta un defecto en el sistema de refrigeracin, o un fallo constructivo que hubiese afectado a los devanados en su origen. El objetivo de esta clasificacin no es otro que establecer las causas particulares que pueden motivar a una avera en la mquina.

Condiciones externas

Se entiende por fallo externo al transformador, aquel que se produce fsicamente fuera de la mquina. Desde la perspectiva de la vida del transformador, este tipo de fallos son tan importantes como los que se producen internamente, ya que si no se despejan adecuadamente las condiciones que originan el defecto, se va a producir una reduccin de la vida de la mquina, que puede derivar, si ste es importante, en una avera e incluso en su destruccin. Se analizan, a continuacin, los tipos de fallos externos ms comunes.

Sobrecarga

La sobrecarga elctrica es el motivo principal de envejecimiento prematuro de una mquina. Desde un punto de vista trmico, la sobrecarga se produce cuando la condicin de equilibrio trmico en la mquina se establece a una temperatura tal que provoca la degradacin de los dielctricos que aslan los conductores o las chapas que forman el ncleo magntico del transformador. La condicin de sobrecarga involucra parmetros de naturaleza distinta: 1. Nivel de carga elctrica 2. Condiciones ambientales: temperatura, humedad y altura sobre el nivel del mar. 3. Condiciones de explotacin: continua, ocasional, etc. Desde el punto de vista de la proteccin de la mquina, la condicin de sobrecarga no suele requerir la puesta fuera de servicio inmediata de la mquina, lo que permite realizar actuaciones dedicadas a reducir las condiciones que producen dicha situacin, continuando con la explotacin de la instalacin. Entre las medidas orientadas a reducir el nivel de sobrecarga de la mquina se pueden citar: deslastrado de carga y mejora de las condiciones de refrigeracin.

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Cortocircuito

El cortocircuito externo al transformador es la condicin de explotacin ms grave a la que puede someterse. Desde el punto de vista elctrico la intensidad de cortocircuito simtrico en una red est limitada nicamente por la potencia de cortocircuito de dicha red. Si dicho cortocircuito se produce en el secundario del transformador, la potencia de cortocircuito en dicho punto se obtendr como combinacin de la potencia de cortocircuito de la red en el primario y la propia potencia de cortocircuito del transformador. Cuando se produce un cortocircuito, adems del efecto trmico que produce dicha intensidad en los devanados, aparece un elevado esfuerzo electrodinmico entre conductores que puede producir daos mecnicos en la mquina. El clculo simplificador de la intensidad de cortocircuito simtrica puede obtenerse a partir del esquema elctrico de la figura 2.

Scc(A)

SN cc

Scc(B) Figura 2. Esquema elctrico simplificado para el clculo de la intensidad de cortocircuito.

La potencia de cortocircuito en el secundario del transformador (punto B) puede obtenerse como,B A S cc = Scc // Scc ,transformador = A Scc Scc ,transformador A S cc + Scc ,transformador

donde,

Scc ,transformador =

cc

SN

La intensidad de cortocircuito simtrico Icc en el secundario es

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B I cc =

B S cc

3 V LB

donde V LB es la tensin compuesta en el secundario del transformador.

Sobretensin / Reduccin de frecuencia

Resulta suficientemente conocido por el lector que un circuito magntico alimentado mediante una tensin alterna genera un flujo cuyo valor eficaz es proporcional al cociente entre el valor eficaz de la tensin y la frecuencia de dicha tensin,

V f

Cuando el valor del flujo alcanza la zona de saturacin en la curva B-H del material utilizado para la construccin del circuito magntico, el consumo de intensidad aumenta, incrementando las prdidas del transformador [2]. Como se puede observar, el incremento de las prdidas debido a la saturacin puede producirse tanto por una sobretensin como por una reduccin de la frecuencia de la tensin de alimentacin.

Condiciones ambientales adversas

Desde un punto de vista conceptual, la reduccin de vida til de un dielctrico se produce por un incremento de temperatura, independientemente de que este sea provocado por una disipacin de calor debida al efecto Joule en los conductores, por un incremento de la temperatura ambiente o por un fallo en el sistema de refrigeracin. La norma UNE EN 60076 [3] normaliza la designacin de los transformadores segn el sistema de refrigeracin utilizado. Dicha representacin utiliza cuatro letras, cuyo significado se recoge a continuacin: Primera letra. Medio de refrigeracin interno en contacto con los arrollamientos. O K L

Aceite mineral o lquido aislante sinttico con punto de inflamacin 300 C. Lquido aislante con punto de inflamacin > 300 C. Lquido aislante con punto de inflamacin no medible.

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Segunda letra Modo de circulacin del medio de refrigeracin interno. N Circulacin natural por termosifn a travs del sistema de refrigeracin y en los arrollamientos. F Circulacin forzada a travs del sistema de refrigeracin, circulacin por termosifn en los arrollamientos. D Circulacin forzada a travs del sistema de refrigeracin, dirigida desde el sistema de refrigeracin hasta al menos los arrollamientos principales.

Tercera letra. Medio de refrigeracin externo. A W

Aire. Agua.

Cuarta letra: Modo de circulacin del fluido externo: N Conveccin natural; F Circulacin forzada (ventiladores, bombas)

En algunos casos, un mismo transformador puede soportar mtodos de refrigeracin distintos, debiendo especificar, en cada caso, los niveles de potencia tolerados por cada uno de los mtodos. La propia norma establece como ejemplos los siguientes: ONAN/ONAF. El transformador tiene un juego de ventiladores que pueden ponerse en servicio conforme se desee a carga elevada. La circulacin de aceite es solamente por efecto de termosifn en los dos casos. ONAN/OFAF. El transformador tiene un equipo de refrigeracin con bombas y ventiladores pero se especifica tambin con una capacidad limitada de potencia con refrigeracin natural (por ejemplo en caso de fallo de la potencia auxiliar).

La norma establece tambin la desclasificacin de carga debida a variaciones de altitud. Se establece como altura de referencia 1000 m sobre el nivel del mar.

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Ciclos de trabajo

En determinadas condiciones de explotacin, como emergencias o condiciones ambientales muy adversas, es necesario que el transformador opere durante un determinado periodo de tiempo por encima de sus caractersticas nominales. Esta situacin puede ser admisible si se verifica un nivel medio de carga, generalmente inferior al nominal, durante un intervalo global de 24 horas. Se presenta, a continuacin, el mtodo simplificado propuesto en la norma UNE 20110 [4] para determinar ciclos de carga. El lector debe tener presente que se trata de un mtodo aproximado con las siguientes restricciones de partida:

La variacin diaria de carga se presenta por un ciclo simplificador de slo dos escalones. Las caractersticas trmicas pueden no coincidir con un transformador especfico. Se considera que la temperatura ambiente es constante durante el ciclo de 24 horas.

La caracterstica de carga real se aproxima por un ciclo equivalente rectangular de dos escalones, tal como el que se muestra en la figura 3.

Factor de carga t K2 K1

0

24 h

Hora del da

Figura 3. Ciclo equivalente rectangular de dos escalones.

Los escalones de carga son K1 y K2, siendo K2 el nivel de carga durante la punta de duracin t. En algunos casos, los dos escalones de carga no quedan claramente definidos, por lo que es necesario realizar una aproximacin de tipo conservador. As, se establecen diferentes tipos de ciclos de carga:

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ciclo de carga con una punta. Se aproxima un ciclo de carga irregular por una estructura de doble escaln conservando el rea. Factor de carga t K2 K1 2 0 3 d 24 h Figura 4. Ciclo de carga con una punta. Hora del da a 1 c b 4 a+b=c+d 1=2+3+4

Ciclo de carga con dos puntas de amplitudes iguales y duraciones distintas. En este caso, se elige la punta de mayor duracin y se calcula el factor de carga K1 como el valor medio del resto. Factor de carga t K2 K1

0

24 h

Hora del da

Figura 5. Ciclo de carga con dos puntas de amplitudes iguales y duraciones distintas.

Ciclo de carga con puntas sucesivas. En este caso se elige t suficientemente grande para incluir todas las puntas de valor K2 y se calcular K1 como el valor medio de la curva de carga restante.

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Factor de carga t K2 K1

0

24 h

Hora del da

Figura 6. Ciclo de carga con puntas sucesivas.

RGIMEN CONTINUO NORMAL

Puede utilizarse este rgimen cuando la carga no muestra variaciones importantes durante todo el da. En esos casos, se puede definir un factor de carga aceptable K=K24 en servicio continuo para las 24 horas. En la tabla II se recogen los coeficientes K24 en funcin de la temperatura.

Tabla II. Factor de carga admisible en servicio continuo K24 para diferentes temperaturas ambiente. Temperatura ambiente C -25 -20 118 1,33 1,30 1,28 1,22 -10 108 1,25 1,22 1,21 1,17 0 96 1,17 1,15 1,14 1,11 10 88 1,09 1,08 1,06 1,06 20 78 1,0 1,0 1,0 1,0 30 68 0,91 0,92 0,92 0,94 40 58 0,81 0,82 0,83 0,87

Calentamiento del punto ms 123 caliente (K) Transformadores ONAN 1,37 de distribucin 1,33 ON K24 Transformadores OF de media y gran OD potencia 1,31 1,24

RGIMEN CCLICO NORMAL

El rgimen cclico normal se ajusta mediante un ciclo de doble escaln y los patrones de carga definidos por curvas como la mostrada en la figura 7. Las curvas se agrupan segn el tipo de transformador (potencia y clase de refrigeracin) y la temperatura ambiente de explotacin. Si no existe una curva

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concreta para una determinada temperatura, elegir la inmediatamente superior o interpolar entre dos curvas.

Figura 7. Relacin entre K1 y K2(t) para una temperatura de 25 C.

La norma UNE 20110 establece que las curvas pueden ser usadas para determinar la sobrecarga admisible K2 para una duracin de la misma t a partir de una carga inicial dada K1 . Haciendo la hiptesis simplificadora de que las tensiones aplicadas permanecen constantes, estas curvas tambin pueden usarse para determinar la potencia asignada de un transformador (para una duracin de vida normal), para un ciclo de carga rectangular dado, definido por la relacin K2 / K1 . Todo lo que hay que hacer es determinar la interseccin de la curva que representa la duracin de la sobrecarga K2 y de la recta de pendiente constante K2 / K1 ; esta recta se determina marcando los puntos correspondientes a la ordenada K2 = 1 y a la abcisa K1 = 1 y unindolos. En la tabla III se resumen los lmites de intensidad y temperatura aplicables a cargas superiores a los valores asignados, tambin segn la norma UNE 20110.

Tabla III. Lmites de intensidad y temperatura aplicables a cargas superiores a los valores asignados.Regmenes de carga Carga cclica normal I (pu) 1,5 1,5 140 C 105 C 1,3 120 C 105 C Transformador distribucin de Transformador media potencia de Transformador de gran potencia

Temperatura del punto ms caliente y de las partes 140 C metlicas en contacto con material aislante slido. Temperatura del aceite en la parte superior 105 C

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Carga cclica de emergencia de larga duracin I (pu) 1,8 1,5 140 C 115 C 1,3 130 C 115 C

Temperatura del punto ms caliente y de las partes 150 C metlicas en contacto con material aislante slido. Temperatura del aceite en la parte superior Carga de emergencia de larga duracin I (pu) 2,0 115 C

1,8 160 C 115 C

1,5 160 C 115 C

Temperatura del punto ms caliente y de las partes metlicas en contacto con material aislante slido. Temperatura del aceite en la parte superior -

Aquellos transformadores que estn instalados dentro de una envolvente sufren un calentamiento adicional, especialmente en aquellos casos en que dicha envolvente no est suficientemente refrigerada. En la tabla IV se proporcionan los factores que permiten corregir la temperatura del transformador cuando ste se encuentra dentro de una envolvente.

Tabla IV. Aumento de la temperatura ambiente provocado por la envolvente. Tipo de envolvente Nmero de Correccin (aadir a la T ambiente transformadores ponderada) instalados Dimensionamiento del transformador en kVA 250 Celdas enterradas con ventilacin natural 1 2 3 Stanos y edificios con ventilacin natural 1 mediocre 2 3 11 12 14 7 8 10 500 12 13 17 8 9 13 750 13 14 19 9 10 15 1000 14 16 22 10 12 17

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Edificios con buena ventilacin natural, 1 celdas subterrneas e instalacin en stanos 2 con ventilacin forzada. 3 Cabinas prefabricadas 1

3 4 6 10

4 5 9 15

5 6 10 20

6 7 13 -

Fallos internos Cortocircuitos entre espiras en la misma fase

Se trata del tipo de fallo ms difcil de detectar, ya que en sus fases iniciales, cuando el fallo involucra nicamente unas pocas espiras, resulta prcticamente imposible de detectar, especialmente en el caso de transformadores de alta tensin con un elevado nmero de espiras. Cuando el fallo se va extendiendo para abarcar un mayor nmero de espiras, es posible detectarlo a partir de la componente inversa de la intensidad.

Cortocircuitos entre espiras en fases distintas

Los cortocircuitos entre espiras de fases distintas pueden ser detectados mediante una proteccin diferencial (ANSI 87) colocada a la entrada y salida de cada bobinado del transformador.

Ie Id

Is

Figura 3. Defecto provocado por un cortocircuito entre espiras.

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En la figura 3 puede observarse que el cortocircuito entre fases provoca una intensidad de defecto Id entre fases que hace que la intensidad de entrada al devanado Ie de un fase sea distinta de la de salida Is, situacin que no se produce en ausencia del defecto.

Defectos fase carcasa

Los defectos de aislamiento entre fase y carcasa debido al deterioro de los dielctricos provoca la circulacin de una intensidad de defecto hacia tierra siempre que el sistema de distribucin sea de tipo neutro rgido a tierra o impedante. En los sistemas de distribucin con neutro aislado la circulacin de intensidad est restringida a las capacidades parsitas existentes.

Figura 8. Termografa infrarroja de un transformador para la deteccin de puntos calientes.

Defectos en el circuito magntico

Los defectos en el circuito magntico suelen producirse como resultado del deterioro del aislamiento entre chapas producido por un incremento excesivo de temperatura Estos incrementos pueden estar

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producidos por una condicin de sobrecarga, por la presencia de armnicos en la intensidad, o por sobretensiones o disminuciones de frecuencia que den lugar a una saturacin de flujo magntico.

Defectos en el conexionado / aisladores

Este tipo de defectos son producidos por conexiones defectuosas en la interfaz cable / aislador de entrada salida del transformador. En muchos parques de intemperie se produce con cierta frecuencia la aparicin de contorneos y descargas en los aisladores de entrada-salida debido a la suciedad acumulada, especialmente en ambientes costeros, donde existen grandes concentraciones salinas en las brumas y nieblas. Este tipo de fenmenos son tpicos tambin de instalaciones con elevadas concentraciones de polvo en el ambiente, como aceras y cementeras. En muchos casos, la solucin consiste en la limpieza peridica de los aisladores, y su proteccin mediante barnices dielctricos que repelen la suciedad. En el caso de los defectos producidos por malas conexiones, que se caracterizan por incrementos de temperatura, es posible realizar su deteccin mediante termografa infrarroja. En la figura 8 se muestra una termografa infrarroja de un transformador de potencia, en el que puede apreciarse que no existe ningn punto caliente significativo. En algunas ocasiones, los defectos son producidos por animales que se electrocutan al acercase a la mquina buscando calor.

Defectos en el sistema de refrigeracin

Los defectos en el sistema de refrigeracin comprenden todos aquellos fallos que afectan a la adecuada refrigeracin de la mquina. Cabe destacar aqu,

Prdida de refrigerante en la cuba, depsito de expansin o conducciones intermedias. Deterioro de las caractersticas del refrigerante debido a procesos de envejecimiento o contaminacin. Avera de los termostatos, sondas trmicas o ventiladores. Obstaculizacin de las canalizaciones de refrigeracin, en el caso de transformadores que operan en centros de transformacin. Clculo inadecuado de la refrigeracin o modificacin de las condiciones de explotacin.

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Deteccin de fallos en transformadoresSe describen, a continuacin, los procedimientos habituales de deteccin de fallos en transformadores. Los mecanismos de deteccin se agrupan en dos grandes familias: i) deteccin mediante mtodos elctricos y ii) deteccin mediante elementos mecnicos y/o qumicos.

Deteccin elctrica

Rel de sobrecarga / cortocircuito. (ANSI 50/51). Este rel permite detectar condiciones de cortocircuito o sobrecarga mediante mecanismos de respuesta instantnea o diferida ajustada a curvas de tiempo inverso, muy inverso o extremadamente inverso. Rel diferencial (ANSI 87). Permite detectar condiciones de defecto entre espiras de fases distintas. Su utilizacin debe estar combinada con mecanismos que permitan detectar condiciones especiales como la magnetizacin del transformador, para evitar disparos intempestivos. Rel trmico (ANSI 26). Permite detectar condiciones de sobrecarga trmica producidas tanto por un exceso de carga, como por condiciones ambientales adversas o fallos en el sistema de refrigeracin. Este tipo de sistemas estn basados en la utilizacin de sondas trmicas situadas en la cuba y el refrigerante. Rel trmico indirecto (ANSI 49). Permite detectar condiciones de sobrecarga a partir de la medida de la intensidad consumida por el transformador. Rel direccional (ANSI 67). Permite detectar cortocircuitos en secundarios de transformadores cuando funcionan en paralelo dos o ms de ellos. En la figura 9 se muestra un sistema formado por dos transformadores conectados en paralelo. El defecto se alimenta a partir de Id1 e Id2, lo que puede producir el disparo de ambos transformadores. El rel direccional permite conocer el sentido de las intensidades de defecto, lo que permite despejar las faltas de forma selectiva.

Transf. 1 Id1 Id2

Transf. 2

Figura 9. Alimentacin de un defecto en un sistema alimentado por dos transformadores conectados en paralelo.

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Rel de sobretensin (ANSI 59). Permite detectar condiciones de sobretensin en la alimentacin, que pueden dar lugar a una saturacin del circuito magntico, y por tanto, a un sobrecalentamiento. Rel tensin / frecuencia (ANSI 24). Similar al rel de sobretensin.

Deteccin mecnico-qumica

Dado que la aparicin de fallos en los transformadores sumergidos en aceite suele generar gases, es posible detectar estos fallos mediante procedimientos de tipo mecnico o qumico. En la tabla V se resume la relacin entre concentracin de gas y gravedad del defecto. En la norma ANSI/IEEE C57.104 [5] se realiza un anlisis exhaustivo de la magnitud del defecto en relacin a la concentracin de gas. En la actualidad y como medida preventiva, es frecuente la utilizacin de espectrmetros de masas para el anlisis de las concentraciones de gases en los aceites. En el mbito de la ingeniera de proteccin europea es frecuente, especialmente en el caso de transformadores de media y baja potencia con refrigeracin lquida que cuentan con un depsito de expansin, confiar la proteccin de la mquina al rel Buchholz. Dicho rel se conecta en la conduccin que comunica la cuba que contiene al transformador con el depsito de expansin con el objetivo de detectar la presencia de gas. Se observa por tanto que este rel est basado en el principio de que cualquier tipo de fallo interno provoca un deterioro del refrigerante que se traduce en la generacin de gas. En [2] puede encontrarse una descripcin ms detallada de este mecanismo de proteccin. Tabla V. Clasificacin de los niveles de gas en relacin a una posible situacin de fallo, segn la norma IEEE C37.91 [1] Porcentaje de gas Entre 0 y 0,5% Entre 0,5 y 1,0% Entre 1,0 y 5,0% Mayor de 5,0% Actuacin Situacin normal. Tomar muestras con un intervalo de entre dos semanas y un mes, para determinar si se produce alguna tendencia. Tomar muestras de forma inmediata y realizar una revisin de la mquina. Desconectar el transformador de la red y buscar la causa de dicha concentracin.

Magnetizacin del transformador

Durante las maniobras de conexin del transformador a la red se producen puntas de intensidad muy elevadas debido al fenmeno de magnetizacin de la mquina (denominada inrush current en la literatura

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anglosajona). El valor de dichas puntas de conexin dependen del magnetismo remanente del transformador. El lector puede encontrar los fundamentos tericos de este fenmeno en Ras [6]. Desde un punto de vista prctico, el fenmeno de magnetizacin puede resumirse a conocer la intensidad eficaz mxima y el tiempo de magnetizacin. En [7] pueden encontrarse pares de valores tpicos para diferentes tipos de transformadores. En las tablas VI y VII se resumen dichos valores para comodidad del lector. Tabla VI. Intensidad de magnetizacin para transformadores MT/BT con refrigeracin lquida.Potencia (kVA) x IN Tiempo (s) 100 14 160 12 250 12 315 12 400 12 500 630 800 12 11 10 1000 10 0,35 1250 9 0,35 1600 9 0,40 2000 8 0,45 2500 8 0,50 >3150 8 0,55

0,15 0,20 0,22 0,24 0,25 0,27 0,30 0,30

Tabla VII. Intensidad de magnetizacin para transformadores MT/BT sin refrigeracin lquida.Potencia (kVA) x IN Tiempo (s) 160 10,5 0,13 250 10,5 0,18 400 10 0,25 630 10 0,26 800 10 0,30 1000 10 0,30 1250 10 0,35 1600 10 0,40 2000 9,5 0,40

Adems de las elevadas intensidades de magnetizacin, este fenmeno origina tambin, durante los primeros ciclos, elevados valores de la componente homopolar de intensidad. La intensidad de magnetizacin se caracteriza por contener armnicos de todos los rdenes, siendo especialmente relevantes los de segundo y tercer orden. Normalmente se caracteriza tambin por la presencia de componente de corriente continua. Los armnicos ms importantes son: Componente de corriente contnua. La presencia de componentes de corriente continua en la intensidad de magnetizacin de los transformadores trifsicos es muy frecuente. Esta componente se caracteriza por presentar valores diferentes en cada fase. Armnicos de segundo orden. Estas componentes estn siempre presentes en las tres fases durante la magnetizacin, con valores relativamente elevados (alrededor del 20% del exceso de intensidad sobre las condiciones de rgimen permanente.) Dado que este tipo de componentes no suelen aparecer en las intensidades de defecto, pueden ser interesantes para detectar la presencia de este tipo de fenmenos. Incluso en el caso de que un transformador opere en la zona de saturacin, la intensidad demandada se caracterizar por contener armnicos de rdenes impares. Armnicos de tercer orden. Presentes con amplitudes similares a los armnicos de segundo orden. Como es lgico, no aparecern en las intensidades de lnea cuando se trate de transformadores con conexin en tringulo. En este caso particular, s existen, como consecuencia de la conexin en estrella del primario del transformador.

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Armnicos de rdenes superiores. Presentes en muchos casos, aunque con amplitudes menos significativas. Desde el punto de vista de la amplitud y duracin de dicho fenmeno transitorio, existen varios parmetros, especficos de la mquina y generales del sistema al que sta se conecta, que pueden variar la evolucin del mismo. Entre otros, los ms importantes son: 1. Potencia del transformador. 2. Caractersticas del hierro utilizado en la construccin del circuito magntico del transformador. 3. Existencia de flujo residual en la mquina en el momento de la conexin. 4. Potencia de cortocircuito en el punto de acoplamiento (PAC). 5. Proximidad de los elementos sensibles a la mquina.

Los parmetros 1, 2 y 3 son especficos del transformador, mientras que 4 y 5 dependen de la red a la que dicho transformador se conecta. En la figura 10 se muestra la evolucin de la intensidad y de su componente homopolar durante la conexin de un transformador trifsico de 220/55 kV, Yy0, 180 MVA, =14,57%.

400 1000 800 600 400 Amplitud (A) 200 0 -200 -400 -600 -800 1.32 1.34 1.36 1.38 1.4 tiempo (s) 1.42 1.44 0 0 2 4 6 tiempo (s) 8 10 12

(a)valor eficaz intensidad linea (A)

350 300 250 200 150 100 50

(b)

Figura 10. Evolucin de la intensidad instantnea (a) y de su componente homopolar (b) durante la magnetizacin en vaco de un transformador de potencia de 180 MVA.

En la figura 11 se muestra la evolucin del valor eficaz del armnico de segundo orden de la intensidad durante la magnetizacin.

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200 valor eficaz armonico 2 orden intensidad linea (A) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

0

2

4

6 tiempo (s)

8

10

12

Figura 11. Evolucin del valor eficaz del armnico de segundo orden durante la magnetizacin del transformador.

Resumen de las protecciones tpicas del transformadorEn la tabla VIII se resumen las protecciones bsicas de un transformador en funcin de su potencia nominal y del mecanismo de refrigeracin. Tabla VIII. Resumen de la proteccin del transformador [7]Tipo de defecto Potencia AT/MT SN > 10-15 MVA Sobrecarga Cortocircuito externo Cortocircuito interno Defecto a tierra Imagen trmica (49) Termostato (26) Sondas PT100 (38/49T) Mximo de I (50/51) Distribucin MT/BT Sumergido Imagen trmica (49) Termostato (26/71) Seco Imagen trmica (49) Sondas PT100 (38/49T) Mximo de I (50/51) o fusibles Mximo de I homopolar (50N/51N)

Mximo de I (50/51) o fusibles Rel Buchholz (63) Detector de nivel de aceite Proteccin diferencia (87) (71) Mximo de I homopolar Mximo de I homopolar (50N/51N) (50N/51N) Mximo de I de defecto a tierra (50G/51G)

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Ejercicios1. En qu parte del transformador se producen estadsticamente la mayor cantidad de averas? 2. Cul es la avera con menor riesgo de deteccin que puede producirse en el devanado de un transformador? 3. Qu aspecto limita el fallo de cortocircuito en el primario de un transformador? 4. Qu aspecto limita un fallo de cortocircuito en el secundario de un transformador? 5. Qu situacin puede provocar un fallo de la proteccin diferencial (Cdigo ANSI 87) en el transformador? 6. En condiciones naturales, indicar si es ms difcil realizar el tarado de una proteccin diferencial (Cdigo ANSI 87) en un trafo con tomas o sin tomas? 7. En qu condicin de explotacin un transformador presenta un comportamiento que puede ser equvocamente entendido como fallo? 8. Es adecuado el fusible para la proteccin de sobrecargas en el transformador? 9. Si debido a un defecto un fusible de una fase se encuentra abierto, qu debe hacerse con el resto? 10. Resulta adecuada una proteccin 51G para detectar corrientes de defecto a travs de la cuba de un transformador en sistemas de distribucin con neutro aislado? 11. Qu tipo o tipos de rels utilizara para detectar una derivacin a tierra de un transformador? 12. Desde el punto de vista de la sensibilidad y del tarado, qu diferencia existe entre detectar una fuga a tierra mediante un rel conectado a un transductor de intensidad homopolar colocado en las fases de entrada o uno colocado entre la cuba y la tierra? 13. Es compatible la utilizacin de la proteccin diferencial 87 para la deteccin de fugas a tierra cuando el neutro est puesto a tierra mediante una impedancia? 14. Qu dato deben proporcionar las compaas elctricas de transporte y distribucin para conseguir una correcta filiacin de las protecciones? 15. En qu casos es til la proteccin por selectividad direccional de intensidad en la proteccin de transformadores? 16. Qu es una sonda PT100? En qu proteccin se utiliza? 17. Describa dos mtodos no elctricos de deteccin de fallos en transformadores.

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18. Qu es el rel Buchholz? 19. Qu diferencia existe entre un rel detector de gas y uno de acumulacin de gas? 20. En el caso de un hipottico fallo de un rel Buchholz, existe alguna forma de evitar una explosin del transformador por sobrepresin? 21. Describir cinco causas de sobrecalentamiento en los transformadores 22. Qu resultados provoca un sobrecalentamiento de los transformadores? 23. Existe alguna herramienta que permita conocer si un transformador tiene algn punto caliente? 24. Es adecuada la utilizacin de una sonda trmica para la proteccin de los devanados frente a sobrecargas? 25. En los transformadores conectados a los grupos alternadores sujetos a posibles variaciones de frecuencia provocadas por variaciones de velocidad en sus motores primarios, Qu indica la siguiente expresin? Qu proteccin debe utilizarse?VN V1 = fN f1

26. Qu caractersticas deben ser consideradas en la eleccin de los dispositivos interruptores asociados a las protecciones? 27. Qu porcentaje de gas dentro de la cuba ser considera como lmite para establecer una condicin de parada? 28. Completar la tabla siguiente: Cdigo ANSI de la proteccin 26 49 50 51 24 63 67 87 Aplicacin

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29. Qu significa que la proteccin mide la intensidad de lnea mediante un transformador de proteccin 5P20? 30. Qu es mejor en trminos generales, un trafo de proteccin 5P10 un 10P10? 31. Para una instalacin general, y considerando como criterio las sobretensiones y la corriente de defecto es mejor un sistema de distribucin TT IT? 32. Completar el cuadro siguiente colocando (--, -, +, ++) segn convenga: Sistema TT Amortiguamiento de las sobretensiones transitorias Limitacin de sobretensiones a 50 Hz Limitacin de las corrientes de defecto Disparo al primer defecto Cualificacin del personal operario Sistema IT

33. Es ms adecuado colocar la proteccin contra sobrecarga en el lado de la carga o en el opuesto? 34. Se quiere realizar la proteccin de un transformador de potencia trifsico de potencia nominal 10 MVA, conexin estrella-estrella, relacin de tensiones 55 kV / 12 kV y tensin de cortocircuito del 8 %. Dicho transformador se encuentra conectado en el lado del primario a la red de distribucin, que presenta una potencia de cortocircuito comprendida entre 100 y 300 MVA. Se pide: a) Obtener el valor mximo y mnimo de la intensidad de cortocircuito en el primario del transformador, considerando un fallo simtrico; b) Calcular los valores de intensidad nominal en el primario y secundario del transformador; c) Calcular la potencia de cortocircuito mxima y mnima en el secundario del transformador. El esquema simplificado del sistema a proteger es el que se muestra en la figura adjunta.

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Red de 55 kV Scc mxima = 300 MVA Scc mnima = 100 MVA

Proteccin A

SN = 10 MVA cc = 8 %

Proteccin B

12 kV Esquema elctrico simplificado del sistema a proteger.

35. Se tiene un transformador de distribucin de potencia nominal 1 MVA y refrigeracin de tipo ONAN. Se quiere determinar la potencia admisible durante un periodo de 4 horas, sabiendo que durante el resto del da el transformador trabaja con un factor de carga de 0,5. Se sabe que la temperatura ambiente es de 30 C. Suponer que las tensiones permanecen constantes.

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36. Un transformador de distribucin de tipo ONAN debe poder funcionar cada da durante 4 horas con 2 MVA y el resto del da con 1 MVA. Obtener el valor de su potencia nominal sabiendo que la temperatura ambiente de funcionamiento es de 30 C.

37. Qu circunstancia de explotacin de un transformador puede hacer que se dispare de forma errnea una proteccin 50N?

38. Cmo puede evitarse el problema anterior?

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Soluciones1. En los bobinados. 2. Un cortocircuito entre espiras en la misma fase. 3. La potencia de cortocircuito de la red en el punto de conexin. 4. La potencia de cortocircuito resultante de combinar la potencia de cortocircuito en el punto de conexin del primario del trafo y la propia potencia de cortocircuito del transformador. 5. La intensidad de magnetizacin del transformador (inrush current). 6. Es ms difcil de realizar en un trafo con tomas, ya que la proteccin debe conocer en todo momento el valor de la relacin de transformacin. 7. Durante la conexin, ya que la intensidad de magnetizacin puede llegar a ser varias veces superior a la intensidad nominal. 8. En condiciones generales un fusible no resulta adecuado como proteccin frente a sobrecargas para ningn tipo de mquina elctrica. 9. Remplazarlos, ya que aunque no se hayan fundido, pueden estar deteriorados. 10. No, ya que la nica circulacin de intensidad que va a producirse es la debida a la capacidad parsita. 11. 50N / 51N con deteccin mediante transformador toroidal homopolar. 12. En principio resulta ms sencillo ajustar un transformador colocado en el cierre entre la cuba y tierra ya que uno conectado abrazando todos los conductores de fase es ms difcil de tarar debido a desequilibrios y a los elevador valores de intensidad que transportan los conductores de fase. 13. Tericamente es posible, pero puede suceder, desde el punto de vista prctico, que la proteccin diferencial no sea suficientemente sensible para detectar la intensidad de fuga. 14. Las potencias de cortocircuito mxima y mnima en el punto de conexin a la red del transformador. 15. En aquellos casos en que dos o ms transformadores trabajan conectados en paralelo. 16. Una resistencia con coeficiente trmico positivo, esto es, una resistencia que incrementa su valor a medida que aumenta la temperatura. Se utiliza en todas aquellas protecciones que detectan una condicin de sobrecarga midiendo la temperatura de un bobinado, una carcasa, un refrigerante, un lubricante, etc.

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17. Un rel Buchholz y una sonda de temperatura. 18. Un dispositivo de proteccin que detecta la presencia de una presin de gas excesiva. 19. Un rel detector de gas detecta concentraciones de determinados compuestos qumicos que en general slo aparecen cuando se producen condiciones de funcionamiento anormales. Un rel de acumulacin de gas detecta un incremento de presin del gas contenido en un recipiente. Normalmente el incremento de presin del gas se produce como consecuencia de un fallo en el transformador. 20. Mediante una vlvula de seguridad que se abre cuando la presin interior supera un determinado umbral. 21. 1) Elevada temperatura ambiente; 2) Fallo del sistema de refrigeracin; 3) Fallo externo no despejado a tiempo; 4) Sobrecarga; y 5) Condiciones de funcionamiento anormales como: baja frecuencia, sobretensin, conexin en el secundario de cargas no lineales o desequilibrio de la alimentacin. 22. 1) Reduccin de la vida del transformador por reduccin de la vida de los aislantes de los conductores que lo forman; 2) Fallo inmediato debido a una temperatura puntual muy elevada que provoca el deterioro de los aislantes; y 3) Incendio debido a que algn elemento del transformador alcanza la temperatura de ignicin. 23. La termografa infrarroja. 24. S, siempre que la constante de tiempo de la medida sea similar a las constantes de tiempo de sobrecarga del propio transformador. 25. El cociente entre tensin y frecuencia proporciona una medida del flujo de magnetizacin del transformador. Para proteger al transformador frente a un incremento del flujo que origine un incremento en las prdidas puede utilizarse una proteccin ANSI 24. 26. Desde el punto de vista de la proteccin, el poder de corte. 27. 5%. 28. Cdigo ANSI de la Aplicacin proteccin 26 49 50 51 Termostato. Sobrecarga. Imagen trmica. Sobrecarga. Cortocircuito externo. Sobrecarga y cortocircuito externo.

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24 63 67 87

Exceso de excitacin (V/f elevado) Rel Buchholz. Cortocircuito interno. Rel direccional. Deteccin de fallos en trafos funcionando en paralelo. Diferencial. Cortocircuito entre espiras de fases distintas.

29. Un transformador 5P20 significa que el transformador comente un error compuesto mximo del 5% cuando mide una intensidad que es 20 la intensidad nominal, siendo sta la intensidad lmite de precisin. 30. En principio es mejor un trafo 5P10, ya que comete un error compuesto menor para la intensidad lmite de precisin. 31. Sistema de distribucin IT TT Problema de sobretensiones Problema de intensidad de defecto Importante Mnimo Mnimo Importante

32. Sistema TT Amortiguamiento de las sobretensiones S transitorias Limitacin de sobretensiones a 50 Hz Limitacin de las corrientes de defecto Disparo al primer defecto Cualificacin del personal operario S No S No Sistema IT No No S No S

33. La colocacin en el primario del transformador permite detectar problemas dentro del propio transformador. Sin embargo, desde el punto de vista trmico es ms aconsejable realizar la proteccin trmica del transformador en el lado de la carga.

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34. Los valores mximo y mnimo de la intensidad de defecto simtrico se obtienen a partir de la potencia de cortocircuito. En efecto, si se considera la red de 55 kV como un generador simtrico que presenta una impedancia de mdulo Zg, la intensidad de cortocircuito Icc se obtiene mediante la expresin,I cc = S cc 3 VL

Por tanto, los valores mximo y mnimo sern,I cc , max = S cc , max 3 VL = 300.10 6 3 55.10 3 = 3,15 kA

I cc ,min =

S cc ,min 3 VL

=

100.10 6 3 55.10 3

= 1,05 kA

b) La intensidad nominal en el primario es,

I 1N =

SN 3 V1N

=

10.10 6 3 55.10 3

= 105 A

mientras que la de secundario se obtiene como,I 2 N = I 1N V1N 55 = 105 = 481 A V2 N 12

c) La potencia de cortocircuito en el secundario puede obtenerse de forma aproximada mediante el circuito equivalente por fase de la figura,

Zg

Ztrafo

V1f

Circuito elctrico aproximado por fase del bus + transformador.

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En el circuito de la figura, V1f representa la tensin de fase en el primario del transformador. Zg y Zcc,t son, respectivamente, las impedancias equivalentes de la red en el primario y en el transformador. De forma simplificada,Zg = 3V f2, A S cc , A

La tensin de cortocircuito en el transformador cc (% ) se expresa como,

cc (% ) =

Z trafo I 1N V1 f

100

y por tanto,Z trafo = V1 f cc (% )100 I 1N

La impedancia total Zt es,Z t = Z g + Z trafo =3V12f

S cc , A

+

3V12f cc (% ) 100 S N

La potencia de cortocircuito en el secundario del transformador se obtiene como

S cc , B =

3V12f Zt

=

3V12f 3V12f S cc , A +

3V12f (% ) 100S N

=

1 1 S cc , A +

(% )

=

S cc , A S cc ,trafo S cc , A + S cc ,trafo

100S N

donde

S cc ,trafo =

100S N (% )

Las intensidades de cortocircuito mxima y mnima en el secundario sonB I cc ,min = B S cc ,min

3 VBB S cc ,max

=

55.10 6 3 12.10 388.10 6 3 12.10 3

= 2,6 kA

B I cc ,max =

3 VB

=

= 4,2 kA

Los valores de intensidad referidos al primario se obtienen a partir de la relacin de transformacin,

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A B I cc ,min = I cc ,min

V2 N 12 = 2,6 = 567 A V1N 55 V2 N 12 = 4,2 = 916 A V1N 55

A B I cc ,max = I cc ,max

La intensidad de magnetizacin es ocho veces la intensidad nominal y tiene una duracin de 550 ms.

La curva I-t de proteccin en el primario del transformador es t I1N = 105 AI cc , A [1 3,1] kAref I cc , BA [0,6 0,9] kA ref I cc ,min = min I cc , A , I cc , BA

{

}

t1 I1N 0,8Icc,min I

t1 = 600 ms para selectividad cronomtrica con la proteccin del secundario. Permitir I=8I1N durante t I cc ,min I 1N =6

De esta forma, un transformador de proteccin adecuado para el primario podra ser un 5P10. En el caso del secundario,

FLP >

I cc ,min I 2N

= 5,4

que permite elegir tambin un transformador de proteccin 5P10.

35. De la curva que relaciona K1 y K2(t) se puede resolver el problema de forma grfica.

K2 = 1,22 por lo que la potencia admisible durante 4 horas ser de 1,22.1 MVA = 1,22 MVA.

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36. En este caso se desconoce la potencia nominal del transformador SN, pero pueden establecerse K1 y K2. As,

K1 =

S1 SN S2 SN

K2 =

El cociente entre K1 y K2 es

K 1 S1 1 = = = 0,5 K2 S2 2De esta forma, se sabe que para K1=1, K2=2, mientras que para K2=1, K1=0,5. Representa la recta definida por los dos pares de puntos y obteniendo el corte con la curva correspondiente a t=4 horas.

De la curva se obtiene que K1 = 0,6 mientras que K2 = 1,2. A partir de K1 y K2 es posible obtener la potencia nominal del transformador.

SN =

S1 S 1 2 = 2 = = = 1,67 MVA K 1 K 2 0,6 1,2

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37. La magnetizacin de un transformador de potencia, ya que produce valores elevados de la componente homopolar de intensidad. 38. Desinhibiendo la proteccin de homopolar mediante un detector de armnicos de segundo orden.

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Referencias[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Norma IEEE C37.91-1985. IEEE Guide for Protective Relay Applications to Power Transformers. Fraile Mora, J. Mquinas Elctricas. Servicio de publicaciones del Colegio Oficial de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid. Norma UNE EN 60076. Transformadores de potencia. 1998. Norma UNE 20110. Gua de carga para transformadores de potencia sumergidos en aceite. 1995. Norma ANSI/IEEE C57.104. Ras, E. Transformadores de potencia, medida y proteccin. Editorial Marcombo. Fortuo, J., Protecciones elctricas. Jornada tcnica organizada por el Grupo Schneider. Santander, Septiembre de 1998. Anderson, P.M. Power System Protection. IEEE Press Series on Power Engineering. 1999. Montan, P. Protecciones en las instalaciones elctricas. Evolucin y perspectivas. Editorial Marcombo. 1988.

[10] Norma IEEE C37.2-1991. IEEE Standard Electrical Power System Device Function Numbers. [11] Norma IEEE Std 315-1975. Graphic Symbols for Electrical and Electronics Diagrams. [12] Norma UNE 20004-3 de 1968. Smbolos (literales y grficos) y esquemas en electrotecnia, mquinas, transformadores y bateras. [12] Norma UNE EN 60617-7 de Julio de 1997. Smbolos grficos para esquemas. Parte 7: Aparamenta y dispositivos de control y proteccin. [13] Schneider Electric. Catlogo de proteccin y control de potencia. Febrero 2000. [14] General Electric. Catlogo de proteccin.

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