Análisis y simulación por elementos finitos de la saturación parcial en transformadores de intensidad toroidales

Vázquez Muñoz, Josúe Enrique (2018). Análisis y simulación por elementos finitos de la saturación parcial en transformadores de intensidad toroidales. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Análisis y simulación por elementos finitos de la saturación parcial en transformadores de intensidad toroidales
Autor/es:
  • Vázquez Muñoz, Josúe Enrique
Director/es:
  • Platero Gaona, Carlos Antonio
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2018
Materias:
Palabras Clave Informales: Transformador de intensidad, saturación parcial del núcleo, posición de los conductores, posición de las pantallas, simulación, método de los elementos finitos.
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La energía eléctrica se ha convertido en uno de los pilares básicos que sustentan la marcha diaria de un país desarrollado, tanto en el ámbito residencial como en el industrial y empresarial. Un corte en el suministro eléctrico provoca la paralización de la práctica totalidad de las actividades cotidianas de la zona afectada, pudiendo llegar a producir graves perjuicios si el periodo de interrupción es largo. Las redes de transporte y distribución de la energía eléctrica son las encargadas de asegurar el suministro, interconectando a los productores con los consumidores. Una de las características de estas redes es el elevado valor de tensión e intensidad que emplean, que imposibilitan la conexión directa de equipos de medida para conocer el valor de dichas variables. Para este cometido se utilizan los transformadores de medida y protección. Este trabajo fin de grado se va a centrar solo en los transformadores de intensidad para protección. Su finalidad es reproducir en los bornes del circuito secundario la corriente que circula por el circuito primario, pero a una escala menor que permita la conexión de equipos de medida, garantizando unos niveles de intensidad que posibiliten a los operarios y al equipamiento trabajar en unas condiciones seguras. El transformador de intensidad para protección objeto de estudio en este trabajo es propiedad de una compañía eléctrica y se encuentra situado en la parte inferior de las celdas de media tensión de un centro de transformación. Por la ventana interior del transformador pasan varios cables de una misma fase, que conectan la celda de media tensión con un transformador de potencia ubicado en el exterior de sala, a la intemperie. El motivo de emplear varios cables por fase es la elevada corriente que circula por ellos, imposible de transportar por un único conductor. Por este hecho, la geometría del núcleo del transformador es toroidal alargada, para permitir el paso de varios cables por la ventana interior que tiene el núcleo. El transformador de intensidad cumplía con la norma UNE-EN 61869. El problema que sucedió para propiciar el planteamiento del tema sobre el que trata este trabajo fue el siguiente. En un momento dado, bajo unas condiciones normales de funcionamiento en la red eléctrica, se produjo una falta en una de las fases que provocó un pico elevado de intensidad a través de las celdas y el transformador de potencia. Lo más grave de la situación fue que el trasformador de intensidad encargado de medir esa corriente no lo hizo correctamente, y siguió dando una señal de normalidad a los equipos de protección que estaban conectados a él, impidiendo su actuación para poder aislar el tramo con el defecto y despejar la falta. En el análisis posterior de la incidencia se comprobó el funcionamiento erróneo del transformador de medida, y, además, se encontraron indicios de que en alguna ocasión hubiera detectado un falso positivo cuando el funcionamiento de la red era completamente normal. Tras un análisis de los motivos que pudieron provocar estos fallos, se determinó que la causa más probable era la saturación parcial del núcleo magnético, cuya consecuencia es el incumplimiento de la proporcionalidad entre las corrientes primaria y secundaria en el transformador. Este error de medida hace que sean ineficaces los sistemas de protección que dependan de esta señal. Como fundamento teórico se explica la Ley de Ampère, que relaciona la inducción magnética creada en un punto del área del núcleo con la distancia existente entre ese punto y un conductor que pasa por el interior del núcleo, y con la intensidad que circula por dicho conductor. Además, se expone el principio de funcionamiento de un transformador de intensidad y sus características más importantes. En el estado del arte se detalla la poca información que existe sobre este tema. Para poder realizar ensayos que comprobaran la existencia de errores en la corriente secundaria se encargaron construir dos transformadores de intensidad con forma toroidal alargada con las mismas características de construcción en ambos, salvo una. Uno de ellos tiene el devanado secundario uniformemente arrollado sobre toda la superficie del núcleo, y el otro tiene el devanado secundario parcialmente arrollado solo sobre una mitad del núcleo magnético. Ambos transformadores superaron con éxito las exigencias de la norma UNE-EN 61869. Los ensayos se realizaron en el laboratorio de máquina eléctricas de la ETSII, solicitando una maleta de inyección que permitiera crear intensidades elevadas. Estas corrientes son necesarias para realizar el método directo que se describe en el ensayo de error compuesto de los transformadores de intensidad para protección de clases P y PR, contenido dentro de la norma UNE-EN 61869. Se llevaron a cabo dos tipos de ensayo para los dos transformadores, atendiendo a la posición del conductor primario: • Ensayo 1: el conductor primario pasa por el centro de la ventana del núcleo de ambos transformadores de intensidad. • Ensayo 2: el conductor primario se sitúa en diferentes posiciones de la ventana del núcleo de ambos transformadores de intensidad. A la vista de los resultados que corroboraban los fallos de precisión en la corriente secundaria, se han realizado un conjunto de simulaciones que permitan conocer la inducción magnética dentro del núcleo del transformador. El software de elementos finitos que se ha utilizado para resolver el problema se llama FEMM. Permite mostrar los resultados con un diagrama de densidades de inducción magnética en el entorno simulado. El modelo de simulación se ha realizado estimando algunos parámetros, ya que no se han podido conocer con exactitud algunas características internas del transformador, como las medidas reales del núcleo magnético. Se han realizado tres grupos de simulaciones para estudiar la saturación parcial del núcleo magnético y la influencia de la posición del conductor primario dentro de la ventana del transformador. Estas simulaciones son: •Comparación entre ambos transformadores con el conductor primario situado en el centro de la ventana del núcleo. •Influencia de la posición del conductor primario dentro de la ventana del transformador con el devanado secundario uniformemente distribuido.•Análisis de la posición del cable de tierra de los conductores de fase dentro de la ventana del transformador con el devanado secundario uniformemente distribuido. El análisis de las simulaciones arroja una posición ideal dentro de la ventana del transformador en la que se deberían situar los cables para evitar los errores de precisión en esta particular geometría toroidal alargada. Además, se comprueba la eficacia del método directo del ensayo frente al método indirecto. Se incluye una discusión de los impactos sociales y económicos que tiene el problema de la saturación parcial del núcleo, que están relacionados con los cortes o las sobreintensidades que puede haber en la red, afectando directamente a los abonados. Por último, se incorpora una planificación temporal de la realización del trabajo fin de grado. La estructura de descomposición del proyecto describe los paquetes de trabajo en los que se ha dividido el trabajo, y el diagrama de Gantt los sitúa ordenadamente a lo largo de un periodo de tiempo. También aparece un presupuesto con el coste estimado de la realización del trabajo fin de grado.

Más información

ID de Registro: 49673
Identificador DC: http://oa.upm.es/49673/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:49673
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 14 Mar 2018 14:13
Ultima Modificación: 14 Mar 2018 14:13
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