GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50 1997-11-26

ELECTROTECNIA. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN SUMERGIDOS EN LÍQUIDO REFRIGERANTE CON 65 °C DE CALENTAMIENTO EN LOS DEVANADOS. GUÍA DE CARGABILIDAD

E:

ELECTROTECHNICS. DISTRIBUTION TRANSFORMERS IMMERSED IN COOLING LIQUID OVERHEAD 65 °C IN WINDING. GUIDE FOR LOADING.

CORRESPONDENCIA:

DESCRIPTORES:

transformador sumergido; transformador de distribución; transformador .

I.C.S.: 29.180.00 Editada por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC) Apartado 14237 Santafé de Bogotá, D.C. - Tel. 6078888 - Fax 2221435

Prohibida su reproducción

PRÓLOGO

El Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, es el organismo nacional de normalización, según el Decreto 2269 de 1993. 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 GTC 50 fue ratificada por el Consejo Directivo el 97-11-26. 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 383101 Transformadores eléctricos. ABB CORELCA EPM EEB EMCALI ELECTRIFICADORA DE SANTANDER ELECTRIFICADORA DEL ATLÁNTICO

ELECTROPORCELANA GAMMA INDUSTRIAS TYF NAVARRO GONZÁLEZ RYMEL INGENIERÍA SIEMENS TRANSFORMADORES SIERRA UNIVERSIDAD DEL VALLE

Además de las anteriores, en Consulta Pública el Proyecto se puso a consideración de las siguientes empresas: TESLA TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES DE COLOMBIA El ICONTEC cuenta con un Centro de Información que pone a disposición de los interesados normas internacionales, regionales y nacionales. DIRECCIÓN DE NORMALIZACIÓN

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GTC 50

ELECTROTECNIA. TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN SUMERGIDOS EN LÍQUIDO REFRIGERANTE CON 65 °C DE CALENTAMIENTO EN LOS DEVANADOS. GUÍA DE CARGABILIDAD

1.

OBJETO

Esta guía proporciona las recomendaciones sobre la cargabilidad de transformadores de distribución sumergidos en líquido refrigerante, con calentamiento del nivel superior del líquido refrigerante 60 °C, calentamiento medio en los devanados no mayor que 65 °C, y en el punto más caliente no mayor que 80 °C. Se incluye un ejemplo de cargabilidad. 2.

DEFINICIONES

Para efectos de esta guía se deben tener en cuenta, además de las establecidas en la NTC 317, las siguientes: 2.1 Ciclo real de carga: fluctuaciones de carga a través de un período determinado. Para efectos de la guía se consideran ciclos repetitivos de 24 h . 2.2

Carga pico: máximo valor de carga durante un ciclo de carga.

2.3 Ciclo de carga rectangular equivalente a un ciclo de carga fluctuante desde el punto de vista de temperatura: ciclo de carga escalonado que genera pérdidas a la misma velocidad (W/s) que el ciclo de carga fluctuante a su velocidad promedio. 2.4 Constante de tiempo del líquido refrigerante: período requerido por el líquido refrigerante para cambiar desde su valor inicial de temperatura hasta el valor final, si la velocidad inicial de cambio se mantiene hasta que alcance la temperatura final. Notas: 1)

Los términos salida nominal o carga nominal, usados en esta guía, se refieren al dato nominal de placa.

2)

Para efectos de aplicación se consideran las temperaturas mostradas en la Figura 1.

1

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA 3.

GTC 50

CONDICIONES GENERALES

3.1 Esta guía establece la capacidad de carga, por encima de los valores nominales, que puede soportar el transformador, con la única limitación de la capacidad de los devanados y el sistema de enfriamiento. Se deben consultar al fabricante otras limitaciones, tales como expansión del aceite, presión en unidades selladas, capacidad de corriente de los bujes, herrajes, cambiadores de derivaciones y capacidad térmica del equipo asociado al transformador (cables, reactancias, interruptores, interruptores desconectadores y transformadores de corriente). 3.2 La guía se debe aplicar únicamente a transformadores que tengan la capacidad inherente para permitir las cargas cubiertas en esta guía. Si hay alguna duda sobre esta capacidad se debe consultar al fabricante. 3.3 Las recomendaciones de esta guía están basadas en la vida esperada del aislamiento del transformador, cuando ésta se ve afectada por la temperatura y el tiempo. 3.4 La vida esperada de un transformador, con las diversas temperaturas de operación, no puede conocerse exactamente, pero la información dada en esta guía acerca de la pérdida de vida del aislamiento con temperaturas elevadas, se considera conservativa y la mejor que puede tenerse a partir de los conocimientos presentes. El término conservativa se usa en el sentido de que la pérdida de vida esperada del aislamiento para una sobrecarga recomendada no será mayor que la cantidad establecida. 3.5 La carga real que un transformador puede alimentar en cualquier momento durante el servicio, sin deterioro indebido del aislamiento, puede ser mayor o menor que la potencia aparente nominal (en kVA) de placa que dependen de la temperatura ambiente y de otras condiciones de operación. 3.6 Teniendo en cuenta que la distribución de temperatura en los devanados del transformador no es uniforme, el mayor deterioro se ocasiona en el aislamiento adyacente al punto de mayor temperatura. Por lo tanto, tratándose de estudios de envejecimiento, éstos se concentran en los efectos producidos por la temperatura del punto más caliente. 3.7 Los datos de pérdida de vida dados en esta guía se basan en la curva de vida esperada mostrada en la Figura 1. Se considera que esta figura es la mejor información obtenida hasta el momento en investigaciones de tipo industrial. 3.8 Para efectos de esta guía se considera como límite máximo de temperatura ambiente promedio, en cualquier período de 24 h, el valor de 30 °C. 3.9 La temperatura ambiente promedio debe cubrir períodos no mayores que 24 h, con temperaturas máximas que sobrepasen el valor promedio en no más de 10 °C. 3.10 La mínima vida esperada es el resultado de la operación continua del transformador con temperaturas del conductor en el punto más caliente de 110 °C (o la temperatura equivalente con 120 °C como máximo) en cualquier período de 24 h. 3.11 La temperatura del punto más caliente con carga nominal es la suma de la temperatura promedio del devanado más 15 °C de tolerancia para el punto más caliente.

2

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3.12 Para efectos de aproximación se considera que la diferencia entre la temperatura del punto más caliente y la temperatura del nivel superior del líquido refrigerante no supera los 20 °C. 4.

REQUISITOS ESPECÍFICOS

4.1

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA AMBIENTE SOBRE LA CARGABILIDAD PARA MÍNIMA VIDA ESPERADA

4.1.1 La Tabla 1 muestra el aumento o disminución en la carga nominal para temperatura ambiente diferente a 30 °C. Para usar esta tabla, se deben considerar las siguientes limitaciones: a)

Se cubre un intervalo de temperatura entre 0 °C y 50 °C. Para valores diferentes consultar con el fabricante.

b)

Se recomienda tomar 5 °C como margen de seguridad.

c)

Los valores obtenidos de la Tabla 1 son más conservativos que aquellos calculados según el método descrito en el numeral 5.3. Tabla 1. Influencia de la temperatura ambiente sobre la cargabilidad para obtener la mínima vida esperada Porcentaje de capacidad nominal

Disminución necesaria en la carga por cada grado Celsius sobre 30 °C

Incremento en la carga por cada grado Celsius por debajo de 30 °C

1,5

4.2

1,0

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DEL NIVEL SUPERIOR DE LÍQUIDO REFRIGERANTE SOBRE LA CARGABILIDAD PARA OBTENER LA MÍNIMA VIDA ESPERADA

Si las características del transformador no son conocidas exactamente, debe calcularse la máxima temperatura del líquido refrigerante a partir de la Figura 2, como guía aproximada. Para el uso de esta figura se debe considerar lo indicado en el numeral 3.12. 4.3

CARGA CONTINUA CON BASE EN EL ENSAYO DE CALENTAMIENTO PROMEDIO DE LOS DEVANADOS

Si el calentamiento promedio de los devanados es menor que 65 °C, por cada grado Celsius en exceso de 5 °C por debajo de este valor, la carga del transformador debe incrementarse por encima de la potencia aparente nominal en kVA en los mismos porcentajes dados en la Tabla 1.

3

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA 4.4

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CARGA CON BASE EN LAS SOBRECARGAS DE CORTA DURACIÓN SIN AFECTAR LA VIDA ESPERADA NORMAL DEL TRANSFORMADOR

4.4.1 Los transformadores pueden operarse por encima de 110 °C, promedio de temperatura del punto más caliente, durante cortos períodos o durante períodos más largos con temperaturas inferiores a 110 °C, debido a que el envejecimiento térmico es un proceso acumulativo. 4.4.2 Las cargas sugeridas para vida normal esperada están dadas en las Tablas 3a., 3b., 3c., 4a., 4b., 4c., 5a., 5b. y 5c. Para usar en forma confiable estas tablas se sugiere tomar un margen de 5 °C para determinar la temperatura ambiente. 4.4.3 Los cálculos para las tablas 3a., 3b., 3c., 4a., 4b., 4c., 5a., 5b. y 5c., están basados en una vida mínima de 20 años con una temperatura continua del punto más caliente de 110 °C. 4.4.4 La cargabilidad de transformadores trifásicos de potencias mayores que 500 kVA y menores o iguales a 800 kVA se debe determinar de acuerdo con las tablas 5a., 5b. y 5c. a menos que se especifique otra cosa. 4.5

CARGA DE CORTA DURACIÓN CON SACRIFICIO MODERADO DE LA VIDA ESPERADA

4.5.1 Cuando el efecto de envejecimiento de un ciclo de carga o el efecto de envejecimiento acumulativo de un número de ciclos de carga es mayor que el efecto de envejecimiento de la operación continua con carga nominal sobre un período dado, el aislamiento se deteriora a una velocidad mayor que la normal, siendo ésta una función del tiempo y de la temperatura expresada comúnmente como un porcentaje de pérdida de vida. 4.5.2 La Figura 3 muestra las pérdidas de tiempo y temperatura.

vida relativas para varias combinaciones de

4.5.3 Como guía, se considera razonable una pérdida promedio de vida adicional de 1% por año o 5 % en una operación de emergencia. 4.5.4 Métodos para determinar las cargas por encima de la nominal. a)

Transformadores con características específicas conocidas. En estos casos cuando se requiere la máxima cargabilidad recomendada se debe calcular el calentamiento del líquido refrigerante y la temperatura del punto más caliente contra el tiempo, utilizando las fórmulas básicas dadas en el numeral 5.2. Con estos datos debe determinarse la carga permisible para su condición, teniendo en cuenta la temperatura ambiente, el número probable de tales cargas durante la vida del transformador y el porcentaje aproximado de vida que se va a sacrificar.

b)

Transformadores con características específicas desconocidas o cargas conservativas. En estos casos se debe referir a las tablas de capacidad para tabulaciones de picos de carga con precargas continuas de 50 %, 75 % y 90 % con pérdidas de vida por cada ciclo de carga y con duraciones de los picos desde 1 h hasta 24 h 4

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c)

Las tablas mencionadas en el literal b tienen las especificaciones típicas dadas en la Tabla 2.

d)

Limitaciones de carga y temperatura Para usar las tablas 3a., 3b., 3c., 4a., 4b., 4c., 5a., 5b. y 5c. y las mencionadas en el literal b. se tienen las siguientes limitaciones: Máxima temperatura del nivel superior del líquido refrigerante: 120 °C. Máxima temperatura del punto más caliente: 200 °C. Máxima carga de corto tiempo (1/2 h o menos): 300 %

Nota. No se recomiendan cargas por encima de 250 %, excepto bajo condiciones de emergencia.

Tabla 2. Características asumidas para los transformadores con carga nominal (30 °C ambiente 65 °C elevación) Calentamiento en el punto más caliente sobre el ambiente.

80 °C

Calentamiento del nivel superior del líquido refrigerante (sobre el ambiente).

60 °C

Constante de tiempo del punto más caliente del conductor en horas. Potencia exponencial de la pérdida contra calentamiento.

0,083 4 h 0,8

5.

MÉTODOS DE CÁLCULO

5.1

MÉTODOS PARA CONVERTIR EL CICLO DE CARGA REAL EN EQUIVALENTE

5.1.1 Un transformador que alimenta una carga variable genera pérdidas variables, cuyo efecto es el mismo que el de una carga intermedia constante sostenida durante el mismo período.

Carga equivalente o valor eficaz =

L12 t1 + L 22 t2 + .. + Lu2 tu t1 + t2 ... + tu

(ecuación 1)

En donde: L1, L2,... LU,

=

pasos de carga en % por unidad en kVA reales o corriente.

t1, t2, ... tu

=

duraciones respectivas de esas cargas.

5

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5.1.2 Método alterno. Se debe considerar : -

El período de 12 h anterior al pico.

-

Intervalos de tiempo de 1 h (t1 = t2 = ...tn = 1)

Carga equivalente

2 Inicial = 0,289 L12 + L 22 ... + L12

(ecuación 2)

En donde: L1, L2, L3...L12 =

carga promedio inspeccionada por cada intervalo de 1 h del período de 12 h que precede a la carga pico.

Se puede considerar cualquier combinación de carga como una carga inicial constante de 50 %, 75 % y 90 % de la carga nominal, seguida por un pico rectangular de cierta magnitud y duración (véase la Tabla 1). Se pueden usar los métodos indicados en los numerales 5.1.1 y 5.1.2 para convertir un ciclo de carga irregular en un ciclo de carga rectangular. La ecuación 1 se aplica por separado para el período limitado tanto de la carga precedente como del pico (véase la Figura 4). La duración estimada del pico tiene gran influencia sobre el valor pico eficaz y por lo tanto debe cuidarse de sobrestimar o sub-estimar este valor. Una vez calculado el valor equivalente a la carga inicial y el valor pico debe consultarse el valor con las tablas 3a., 3b., 3c., 4a., 4b., 4c., 5a., 5b. y 5c. para conocer el porcentaje de sacrificio de la vida útil o bien si el transformador puede soportar este ciclo de carga sin sacrificio de la vida útil. 5.2

ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DEL CALENTAMIENTO TRANSITORIO EN TRANSFORMADORES SUMERGIDOS EN LÍQUIDO REFRIGERANTE.

5.2.1 Símbolos (véase la Tabla 6) 5.2.2 Ecuaciones para la determinación de la temperatura -

Punto más caliente: θ hs = θa + θo + θg

-

(ecuación 3)

Calentamiento transitorio y ecuación del calentamiento para elevación en el nivel superior del líquido sobre la temperatura ambiente: θo = (θou-θoi) (1-e τ) + θi -t/

6

(ecuación 4)

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Constante de tiempo térmica del transformador: τ= C (θou - θoi)/P

(ecuación 5)

Elevación final en el nivel superior del líquido refrigerante para carga L : θ = θfl [ K² R + 1) / (R + 1) ]

0,8

(ecuación 6)

Donde lo anterior depende del intervalo de carga L, así: -

Si la carga es de 90 %, K = 0,9

-

Si la carga es del 110 %, K = 1,1.

-

Calentamiento en el punto más caliente del conductor sobre el nivel superior del líquido refrigerante. θg = θg (fl) k

5.3

2n

MÉTODO PARA EL CÁLCULO ASISTIDO POR COMPUTADOR DE LAS TABLAS DE CARGABILIDAD

5.3.1 Método Este programa calcula los picos máximos de carga a que puede someterse un transformador de distribución y el sacrificio de la vida normal esperada con una tolerancia de ± 4 %. Los datos de entrada son los siguientes: -

Pico estimado de sobrecarga (Lu)

-

Carga anterior al pico o precarga (Li)

-

Temperaturas ambiente (θa)

-

Duración de los picos (t)

-

Porcentajes permitidos de pérdida de vida.

Datos adicionales de entrada: -

Relación de pérdida (R).

-

Temperatura máxima del nivel superior del nominal).

7

líquido refrigerante (con carga

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GTC 50

-

Elevación máxima de temperatura continua.

-

Constante de las curvas de envejecimiento de los aislamientos.

-

Porcentaje de pérdida de vida correspondiente a la mínima duración de la vida normal esperada.

La determinación del porcentaje de pérdida de vida está basada en ciclos de carga de 24 h y una mínima duración de vida de 20 años. Las máximas pérdidas de vida son de 0,013 7 % día. 5.3.2 Ecuaciones Se resuelven las ecuaciones para 25 kVA, monofásico (caso a), 150 kVA trifásico (caso b) y con precarga de 90 % (Ki = 0,9); R se toma de la Tabla 7 y el pico de sobrecarga 169 % (Ku = 1,69). a)

Elevación de temperatura inicial debido a carga continua en el nivel superior del líquido refrigerante.

(

) 

 Ki2 R + 1 Θoi = Θfl   R +1 

0,8

 

Valor de Θoi (caso a) (caso b) 53,1 52,5

b)

Elevación inicial del punto caliente sobre el nivel superior del líquido refrigerante. Θg = Θg(fl) (Ki)

1,6

Valor de Θg (caso a) (caso b) 16,9 16,9

De la Tabla 2 se obtiene: Θg(fl) = 80 °C-60 °C = 20 °C

8

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA c)

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Calentamiento final en el nivel superior del líquido refrigerante sobre el ambiente, si el pico aplicado se mantiene indefinidamente.

(

) 

 Ku2 R +1 Θou = Θfl   R+1 

0,8

 

Valor de Θou (caso a) (caso b) 120,1 125,3

d)

Elevación final del punto más caliente sobre el nivel superior del líquido refrigerante. Θgu = Θg(fl)(Ku )1,6

Valor de Θgu (caso a) (caso b) 46,3 46,3

e)

Capacidad calórica de los transformadores. C

=

0,132 x (peso parte activa en kg) + 0,088x(peso tanque en kg) + 0,352 x (litros de líquido refrigerante) Valor de C (caso a) (caso b) 35 103

Los valores de C se obtienen de la Tabla 8. f)

Constante de tiempo del nivel superior del líquido refrigerante con potencia nominal.

τ=

CΘfl Pfl

Valor de τ (caso a) (caso b) 5,38 2,56

9

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA g)

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Ecuación para el calentamiento del nivel superior del líquido refrigerante sobre el ambiente en un tiempo t. Constante de tiempo en cualquier instante t:

τo =

C(Θu - Θi) (Ku2 - Ki2)P(cu)fl

(caso a)

τo =

34,58(120,1 - 53,1) = 3,95 (1,69 2 - 0,9 2 )290

(caso b) τo = 1,87

Θo = (Θu - Θi)(1- e− t / τ0 ) + Θi

(caso a) Θo = 53,1+ 67(1- e-t/3,95)

(caso b) 1 Θo = 52,5 + 72,8(1- e-t/1,87 ) para t = 2 h

(caso a) Θo = 79,7 °C

(caso b) Θo = 100,3 °C

10

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA h)

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Temperatura pico superior del líquido refrigerante durante el ciclo de 24 h. Θpk = Θa + Θo

(caso a) Θpk = 30 °C + 79,7 °C = 109,7 °C

(caso b) Θpk = 30 °C + 100,3 °C = 130,3 °C

i)

Calentamiento del punto caliente sobre la temperatura del nivel superior del líquido refrigerante en un tiempo t. Θg = (Θgu - Θgi)(1- e-t/ τhs) + Θgi

(casos a y b) Θg = 16,9 + 29,4 (1- e-t/0,0834 )

τhs (se obtiene de la Tabla 2) = 0,0834 para t = 2 h Θg = 46,3 °C

j)

Temperatura del punto caliente en cualquier instante. Para t= 2h

Θhs = Θa + Θo + Θg 3

(caso a) Θhs = 30 °C + 79,7 °C + 46,3 °C = 156 °C

(caso b) Θhs = 30 °C + 100,3 °C + 46,3 °C = 176,6 °C

11

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA k)

GTC 50

Pérdida de vida en % durante un intervalo de tiempo t.  6328,8  % pérdida = 100t 10 −  − 11269 ,  Θ hs + 273  

B  % pérdida = 100 t 10 −  + A  T 

T = 273 + Θhs

(caso a) % pérdida = 0,029 %

Pérdida de vida superior a la normal

(caso a) % pérdida = 0,109 %

5.4

Pérdida de vida superior a la normal

EJEMPLO PARA EL CÁLCULO DE CARGABILIDAD DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN SUMERGIDOS EN LÍQUIDO REFRIGERANTE

Un transformador monofásico de 50 kVA con Vp = 13 200 V; Vs = 240 V presenta las siguientes características en el ensayo de calentamiento, bajo condiciones normales y a una temperatura ambiente de 20 °C. -

Elevación promedio en el líquido refrigerante = 40 °C

-

Elevación en el nivel superior del líquido refrigerante = 52 °C

-

Elevación promedio en los devanados = 50 °C

-

Constante de tiempo del punto más caliente = 0,083 4 h

-

Constante de tiempo del nivel superior del líquido refrigerante = 3,2 h

El transformador presenta pérdidas bajo condiciones nominales así: en los devanados: 510 W; en el núcleo: 160 W. El ciclo de carga real del transformador, así como el equivalente se muestran en la Figura 4. Para aplicación del ejemplo, se debe calcular:

12

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1)

La máxima carga permanente del transformador en kVA que no sobrepase la máxima elevación de temperatura en el punto superior del líquido refrigerante 60 °C

2)

Para la carga anterior, la temperatura del punto más caliente

3)

Para el régimen de carga dado en la Figura 4, se deben calcular:

1)

a)

Ecuación de calentamiento de los devanados sobre el nivel superior del líquido refrigerante, durante el periodo de sobrecarga

b)

Calentamiento en el punto más caliente de los devanados sobre el nivel superior del líquido refrigerante al final de la sobrecarga

c)

Ecuación de calentamiento del líquido refrigerante sobre la temperatura ambiente, para el periodo de sobrecarga

d)

Calentamiento en el nivel superior del líquido refrigerante al final de la sobrecarga

e)

Temperatura del punto más caliente al final de la sobrecarga.

Si se utiliza la ecuación (6) se tiene: Θ = 60 °C

R=

Θfl = 52 °C

510 = 3,19 160

 K 2 3,19 +1 60 o C = 52o    3,19 + 1 

0,8

Entonces, K = 1,121

Por lo tanto, la máxima carga permanente en kVA es 1,121x50 kVA = 56,05 2)

Si se usa la ecuación del numeral 5.2.2, se tiene:

Θhs = 20 ° C + 10 ° C(1,0466 )1,6 + 55 ° C = 85,8 ° C

Nota 1. Esto se debe a que se asume que el diferencial de temperatura cobre-líquido refrigerante se mantiene tanto en el nivel promedio como en el nivel superior.

13

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GTC 50

3) a)

Si se usa la ecuación del numeral 5.3.2 literal i, se deben calcular los valores Θgu, Θgi, donde τhs = 0,0834 h. Cálculo de Θgu (usando la ecuación del numeral 5.3.2 literal d). Donde: Ku = 70/50 = 1,4 Θgu = 10 ° C(1,4 )1,6 = 17,13 ° C 4

Cálculo de Θgi (usando la ecuación del numeral 5.3.2 literal b). Donde: Ki = 40/50 = 0,8 Θgi = 10 o (0,8 )1,6 = 7 oC 5 Θg = (Θgu - Θgi)(1- e-t/ τhs) + Θgi Θg = 7 +10,13(1- e-t/0,0834 )

b)

Si se aplica la ecuación del punto anterior para t = 3 h. Θg = 17,13 °C

c)

Usando las ecuaciones del numeral 5.3.2 literales a,c y g; se deben calcular los valores τo, Θu, Θi.

 (0,8 3 3,19 + 1)  Θi = 52   3,19 + 1  

0,8

 (1,4 2 3,19 + 1)  Θu = 52   3,19 + 1  

= 40,25 oC

0,8

= 80,65 oC

44,79 (80,65 - 40,25) t0 = ------------------------------------- = 2,69 (1,4² - 0,8²) 510 Θo = (Θu - Θi)(1- e− t /τo ) + Θi Θo = 40,25 + 40,4(1- e− t / 2,34 )

14

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA d)

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Se evalúa la ecuación del punto anterior para t = 3 h. Θo = 67,4 °C

Se observa que no se ha estabilizado. e)

Usando la ecuación del numeral 5.3.2 literal j, para t = 3 h. Θhs = Θa + Θo + Θg Θhs = 20 + 67,4 +17,13 = 104,53 oC

6.

ENSAYOS

Para determinar la cargabilidad de los transformadores se debe realizar el ensayo especificado en la NTC 316. 7.

APÉNDICE 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 de 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 316:1987, Transformadores. Ensayo de calentamiento para transformadores sumergidos en líquido refrigerante con elevación de 60 °C de temperatura en los devanados. NTC 317:1994, Electrotecnia. Transformadores de potencia y distribución. Terminología. ANSI/IEEE C.57.91, 1981 IEEE Guide for Loading Mineral- Oil -Immersed Overhead and PadMounted Distribution Transformers Rated 500 kVA and Less with 65 °C or 55 °C Average Windingrise.

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GTC 50

Tabla 3a. Capacidad de carga para transformadores trifásicos con potencias ≤ 150 KVA y para transformadores monofásicos con potencias ≤ 50 KVA elevación CU/ACE= 65/60 °C. Pérdida de vida normal asumida = 0,013 7 % por día. Carga precedente = 50 % 0 °C

10 ° C

20 ° C

30°°C

40 ° C

50 ° C

Duración pico carga (Horas)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

1

228

160

80

218

159

86

207

158

92

194

157

97

181

156

103

166

154

108

2

192

152

92

181

151

96

172

150

100

163

148

104

150

147

108

137

146

111

3

176

146

93

166

145

97

157

145

100

147

143

104

136

142

107

123

140

110

4

164

144

96

156

143

101

146

141

103

137

140

107

126

138

108

115

135

112

8

144

132

94

136

130

97

128

130

99

118

129

102

110

128

105

98

123

106

24

127

112

83

119

111

86

111

111

86

105

110

91

92

111

93

82

111

96

16

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50

Tabla 3b. Capacidad de carga para transformadores trifásicos con potencias ≤ 150 KVA y para transformadores monofásicos con potencias ≤ 50 KVA elevación CU/ACE= 65/60 °C. Pérdida de vida normal asumida = 0,013 7 % por día. Carga precedente = 75 % 0 °C

10 ° C

20 ° C

30°°C

40 ° C

50 ° C

Duración pico carga (Horas)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

1

218

159

85

205

156

91

192

156

98

180

153

103

160

150

106

134

138

107

2

184

150

93

175

149

97

165

147

102

152

146

105

138

141

108

112

130

106

3

169

144

93

161

143

97

151

142

101

140

140

104

126

135

106

102

125

104

4

161

142

98

151

139

100

142

138

103

130

138

106

119

133

107

98

124

105

8

142

129

94

134

128

96

126

128

98

116

124

101

105

123

102

88

118

101

24

127

112

81

119

110

85

110

110

88

100

108

90

92

110

92

93

108

95

17

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50

Tabla 3c. Capacidad de carga para transformadores trifásicos con potencias ≤ 150 KVA y para transformadores monofásicos con potencias ≤ 50 KVA elevación CU/ACE= 65/60 °C. Pérdida de vida normal asumida = 0,013 7 % por día. Carga precedente = 90 % 0 °C

10 ° C

20 ° C

30°°C

40 ° C

50 ° C

Duración pico carga (Horas)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

1

208

156

89

195

155

95

182

153

98

163

147

103

120

125

100

2

179

148

96

167

146

98

157

145

104

140

139

105

106

121

99

3

166

143

96

155

141

98

145

139

103

130

133

100

103

116

98

4

157

139

98

148

137

100

136

134

102

124

130

102

100

116

97

8

141

128

93

133

127

96

123

126

97

112

122

98

93

111

94

24

127

111

81

118

110

85

109

108

90

100

108

90

86

108

91

18

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50

Tabla 4a. Capacidad de carga para transformadores trifásicos con potencias 〉 150 KVA y ≤ 500 KVA y para transformadores monofásicos con potencias 〉 50 KVA y ≤ 167,5 KVA elevación CU/ACE= 65/60 °C. Pérdida de vida normal asumida = 0,013 7 % por día. Carga precedente = 50 % 0 °C

10 ° C

20 ° C

30°°C

40 ° C

50 ° C

Duración pico carga (Horas)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

1

211

161

87

202

160

93

192

159

99

180

158

104

168

157

109

155

155

113

2

179

151

96

169

150

101

161

149

104

151

148

108

141

147

111

129

146

114

3

165

144

94

156

144

99

147

143

102

139

142

106

129

141

109

117

139

112

4

156

142

97

148

141

101

139

138

104

131

137

107

120

136

108

110

134

112

8

140

129

93

132

127

96

124

127

98

115

127

101

107

126

104

96

121

105

24

126

110

82

118

110

85

110

110

85

104

109

91

91

110

92

81

110

95

19

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50

Tabla 4b. Capacidad de carga para transformadores trifásicos con potencias 〉 150 KVA y ≤ 500 KVA y para transformadores monofásicos con potencias 〉 50 KVA y ≤ 167,5 KVA elevación CU/ACE= 65/60 °C. Pérdida de vida normal asumida = 0,013 7 % por día. Carga precedente = 75 % 0 °C

10 ° C

20 ° C

30°°C

40 ° C

50 ° C

Duración pico carga (Horas)

Carg a (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carg a (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carg a (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carg a (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carg a (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

1

203

159

92

192

156

97

180

157

103

168

154

108

150

150

110

127

139

110

2

173

149

96

165

148

100

156

146

105

144

145

108

131

140

110

107

129

108

3

161

142

94

152

142

98

144

140

102

134

139

105

121

134

107

99

124

105

4

153

140

98

145

137

100

137

136

103

126

137

106

115

132

107

95

123

105

8

139

127

93

131

126

95

123

126

97

114

123

100

104

122

101

87

116

100

24

126

110

81

118

109

84

109

109

87

99

108

90

91

109

91

92

108

94

20

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50

Tabla 4c. Capacidad de carga para transformadores trifásicos con potencias 〉 150 KVA y ≤ 500 KVA y para transformadores monofásicos con potencias 〉 50 KVA y ≤ 167,5 KVA elevación CU/ACE= 65/60 °C. Pérdida de vida normal asumida = 0,013 7% por día. Carga precedente = 90 % 0 °C

10 ° C

20 ° C

30°°C

40 ° C

50 ° C

Duración pico carga (Horas)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

1

195

156

95

183

156

100

171

153

103

154

148

107

113

124

101

2

170

147

99

159

146

101

149

144

105

134

138

106

101

118

99

3

159

141

97

149

139

98

139

137

103

125

132

104

100

114

96

4

151

136

98

143

135

100

132

132

102

120

129

102

97

113

96

8

138

126

92

130

125

95

121

124

96

110

121

97

91

110

93

24

126

109

81

117

109

84

108

108

87

99

108

80

89

108

90

21

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50

Tabla 5a. Capacidad de carga para transformadores trifásicos con potencias 〉 500 KVA y ≤ 800 KVA elevación CU/ACE= 65/60 °C. Pérdida de vida normal asumida = 0,013 7 % por día. Carga precedente = 50 % 0 °C

10 ° C

20 ° C

30°°C

40 ° C

50 ° C

Duración pico carga (Horas)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

1

205

161

90

196

160

96

187

159

101

175

158

106

163

157

111

150

155

115

2

175

150

97

165

149

102

157

148

105

148

147

109

138

146

112

126

145

115

3

162

143

95

152

143

99

145

142

102

136

141

106

126

140

109

115

138

112

4

153

140

97

146

140

101

137

137

103

129

137

107

118

136

108

109

133

112

8

139

128

93

131

127

95

124

126

98

114

126

100

107

126

104

95

121

105

24

125

110

82

117

110

85

109

110

85

104

109

90

91

110

92

81

110

95

22

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50

Tabla 5b. Capacidad de carga para transformadores trifásicos con potencias 〉 500 KVA y ≤ 800 KVA elevación CU/ACE= 65/60 °C. Pérdida de vida normal asumida = 0,013 7 % por día. Carga precedente = 75 % 0 °C

10 ° C

20 ° C

30°°C

40 ° C

50 ° C

Duración pico carga (Horas)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carg a (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

1

198

159

94

186

156

99

174

157

105

164

154

110

148

150

112

124

139

111

2

169

148

97

161

147

101

152

146

105

142

145

108

129

140

110

106

129

108

3

158

141

94

150

141

98

142

140

102

132

138

105

120

133

107

98

124

105

4

152

139

98

143

136

100

135

135

103

124

136

106

114

131

107

95

123

105

8

138

126

93

131

126

94

123

125

97

113

123

100

103

122

101

87

116

100

24

125

110

81

117

109

84

108

109

87

99

108

89

91

109

91

92

108

94

23

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50

Tabla 5c. Capacidad de carga para transformadores trifásicos con potencias 〉 500 KVA y ≤ 800 KVA monofásicos elevación CU/ACE= 65/60 °C. Pérdida de vida normal asumida = 0,013 7 % por día. Carga precedente = 90 % 0 °C

10 ° C

20 ° C

30°°C

40 ° C

50 ° C

Duración pico carga (Horas)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

1

190

156

97

179

156

102

167

153

105

151

148

108

110

123

101

2

166

146

99

156

146

101

147

144

106

132

137

106

100

118

99

3

157

140

97

147

139

98

138

137

104

124

132

104

99

114

96

4

149

136

98

141

134

100

131

132

101

119

128

102

96

113

95

8

138

125

91

130

125

95

120

124

96

109

120

97

91

109

92

24

125

109

81

116

109

84

107

108

87

99

108

89

89

108

90

24

Carga (%)

Máx. temp. PC (°°C)

Máx. temp. ACE (°°C)

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50 Tabla 6. Símbolos

Símbolo

Detalle

Observaciones

θhs

Temperatura del punto más caliente del devanado

Máximo promedio 110 °C Máximo 120 °C

θa

Temperatura ambiente

Máximo promedio 30 °C

θo

Calentamiento del nivel superior del líquido refrigerante sobre la temperatura ambiente

Máximo 60 °C. Transformador sellado o equipado con tanque conservador

θg

Calentamiento del punto más caliente de los devanados sobre el nivel superior del líquido refrigerante

Máximo 20 °C

θ

Elevación final del nivel superior del líquido refrigerante para una carga L

Toma valores θi para carga precedente y θu para sobrecarga

θi

Elevación inicial del líquido refrigerante para t=0

t

Duración de la carga

τ

Constante de tiempo térmica del transformador para cualquier carga L y para cualquier diferencial específico de temperatura entre la elevación final del nivel superior del líquido refrigerante en horas.

Véase Tabla 8

C

Capacidad calórica del transformador en W*h/°C

Véase Tabla 8

P

Cambio en las pérdidas totales debido al cambio de la carga

θfl

Elevación en el nivel superior del líquido refrigerante para carga total 100 %

k

Relación entre la carga L y la capacidad nominal

R

Relación de las pérdidas con carga nominal a las pérdidas sin carga por unidad

θg(fl)

θg a pelna carga (100 %)

Máximo 20 °C

τfl

Constante de tiempo para carga nominal empezando con calentamiento inicial 0°C en horas

Pfl

Pérdidas totales a plena carga (100 %) en vatios

n

Máximo 60 °C

Potencia exponencial de la elevación de la temperatura contra las pérdidas

25

0,8 Transformadores sumergidos en líquido refrigerante.

GUÍA TÉCNICA COLOMBIANA

GTC 50

Tabla 7. Relación de pérdidas según normas NTC 818 y 819 Transformadores monofásicos kVA

Transformadores trifásicos

Pdv/Po

5

90/30

R

kVA

3

15

Pdv/Po

R

310/80

3,87

10

140/50

2,8

30

515/135

3,81

15

195/70

2,79

45

710/180

3,94

25

290/100

2,9

75

1 090/265

4,11

37,5

405/135

3

112,5

1 540/365

4,22

50

510/160

3,19

150

1 960/450

4,36

75

710/210

3,38

225

2 890/615

4,7

100

900/260

3,46

300

3 675/765

4,8

1 365/375

3,64

400

4 730/930

5,09

500

5 780/1 090

5,3

630

7 140/1 285

5,56

750

8 380/1 450

5,78

800

8 900/1 520

5,86

167,5

Tabla 8. Valores de la capacidad calórica y la constantes de tiempo para transofrmadores de distribución Transformadores monofásicos kVA

C

Transformadores trifásicos

TAU

kVA

C

TAU

5

21

10,41

15

26

4,03

10

22

6,71

30

38

3,5

15

26

5,82

45

55

3,66

25

35

5,32

75

69

3,06

37,5

41

4,64

112,5

82

2,6

50

45

4,04

150

103

2,47

75

62

4,07

225

127

2,18

100

73

3,77

300

150

2,03

113

3,89

400

177

1,88

500

201

1,76

630

230

1,64

750

254

1,55

800

264

1,52

167,5

26

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GTC 50

Temperatura del punto caliente °C T = temperatura absoluta (°C + 273) Figura 1. Curva de vida esperada

27

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GTC 50

Figura 2. Cargabilidad continua aproximada para obtener la mínima vida esperada, basada en la temperatura del nivel superior del líquido refrigerante

28

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Porcentaje máximo de pérdida de vida Tiempo (horas)

0,05

0,1

0,25

0,50

1,00

2,00

4,00

1/2

171

180

193

204

215

227

239

1

161

171

183

193

204

2 156

227

2

153

161

174

183

193

204

215

4

144

153

164

174

193

193

2 204

8

136

144

155

164

183

183

193

16

128

136

147

155

174

174

183

24

124

131

142

150

168

168

178

Nota. Los valores subrayados exceden los valores límites recomendados y están dados como ayuda para la interpolación de la tabla. Figura 3. Temperatura máxima del conductor en °C para el punto más caliente (65 °C de elevación)

29

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Figura 4. Ciclo de carga real y ciclo de carga equivalente para 24 h

Figura 5. Curvas de cargabilidad contra tiempo para varias temperaturas ambiente

30

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Figura 6. Curvas de cargabilidad contra el tiempo para varias temperaturas ambiente

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Figura 7. Curvas de cargabilidad contra tiempo para varias temperaturas

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