El Transformador

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I.- TEORIA GENERAL DE LOS TRANSFORMADORES EL TRANSFORMADOR MONOFASICO. 1.1.- FUNDAMENTO DEL TRANSFORMADOR DE CORRIENTE ALTERNA Se incluyen bajo esta denominación ciertos aparatos estáticos destinados a transferir la energía eléctrica de un circuito a otro, utilizando, como enlace principal entre ambos, un flujo común de inducción. Como quiera que la inducción electromagnética solo se produzca con un flujo variable, esta variación del flujo será esencial en todo transformador estático. Cuando el flujo es simplemente pulsatorio, el aparato recibe el nombre de bobina de inducción. Cuando el flujo es alterno, resulta el transformador propiamente dicho, apto para transmitir potencias de cualquier magnitud. 1.2.- UTILIDAD DE LOS TRANSFORMADORES La necesidad de los transformadores obedece en la práctica a las siguientes razones: Por una parte, es conveniente a veces separar eléctricamente el circuito de alimentación, del circuito de utilización de la energía, ya sea por las condiciones de puesta a tierra en uno u otro o para aislar el segundo de potenciales elevados a que puede encontrarse el primero. Haciendo uso del transformador, se consigue fácilmente el objeto propuesto. Pero la posibilidad esencial de los transformadores, por la cual adquieren tal importancia que industrialmente los caracteriza, es la de modificar los factores (tensión e intensidad) de la potencia eléctrica transmitida, adaptándolos a las condiciones óptimas que se precisen: tensiones elevadas y bajas intensidades para el transporte de energía a grandes distancias; tensiones e intensidades medias para la distribución a los centros de consumo, y voltajes reducidos e intensidades inversamente considerables en las redes de consumo inmediato. Todo ello, con un rendimiento que supera al de cualquier otra clase de aparatos donde intervengan transformaciones de energía de la naturaleza que fuere: mecánica, térmica, química, eléctrica inclusive. 1.3.- FUNDAMENTOS FISICOS DEL TRANSFORMADOR La figura 1 representa esquemáticamente un transformador monofásico. Consta de dos devanados: uno, primario, P, por el que recibe energía, y otro, secundario, S, por el que la cede a la red de utilización, arrollados ambos sobre un núcleo común, N, formado de chapas magnéticas aisladas entre sí por capas de papel o de barniz, o fosfatadas, a fin de disminuir las pérdidas por corrientes parásitas, en el cual se establece un flujo alterno f, que enlaza magnéticamente los dos devanados. Como generalmente las tensiones primaria y secundaria son distintas, uno de los devanados será el de alta tensión, y el otro, el de baja tensión.

Figura 1. Transformador Monofásico.

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Universidad Politécnica de El Salvador En la figura citada se ha supuesto que el de alta tensión es el primario y el de baja tensión el secundario, es decir que el transformador funcionará como reductor de voltaje.

FIG 2. El transformador a) en vacío, b) en carga. Si suponemos conectado el primario a una red de corriente alterna y el secundario abierto (figura 2a), circulará por el primer devanado una cierta corriente I0 y se establecerá en el circuito magnético un flujo alterno f0. El valor de este flujo dependerá de la f.c.e.m. Ep0 que haya de oponer el devanado a la tensión aplicada Up , y la corriente I0 será justamente la necesaria para crear el flujo citado. Como la reluctancia del paso magnético, tratándose de un núcleo de chapas de esta clase, es muy pequeña, la f.m.m. y, por tanto, la intensidad I0 que ha de circular por la bobina primaria es también muy reducida; las caídas de tensión, muy pequeñas y por consiguiente, la f.c.e.m. inducida por el flujo será casi igual a la tensión aplicada. Con el secundario abierto, es decir, en vacío, la f.c.e.m. primaria es prácticamente igual a la tensión aplicada en los bornes: Ep0 = Up Casi todo el flujo alterno f0 que abraza a las espiras primarias está a la vez concatenado con las espiras del secundario, e induce en estas, de modo análogo, una f.e.m. Es0 que, al no circular corriente alguna por el devanado, es igual a la Us0 aparecida entre sus terminales: Es0 = Us0 En vacío, la tensión de los bornes de salida es igual a la f.e.m. secundaria. Supongamos ahora que el devanado secundario se cierra alimentando un circuito exterior cualquiera, en virtud de lo cual circula por él una corriente de carga Is (figura 2b) . Según la ley de Lenz, ésta corriente tiende a oponerse a la causa que la origina, es decir, a la variación del flujo f0 . Pero al mismo tiempo la disminución del flujo tiende a producir otra disminución, proporcional de la f.c.e.m. primaria, y, por consiguiente, PAGINA No. 2

Universidad Politécnica de El Salvador aumenta la corriente absorbida, desde I0 hasta un valor Ip ; ésta refuerza la f.m.m. del devanado P y restablece casi totalmente el flujo original que circulaba por el núcleo. Designándolo ahora solo por f . El efecto inmediato de la carga secundaria ha sido aumentar la corriente primaria hasta Ip , en la magnitud precisa para neutralizar el efecto magnético de la corriente secundaria Is. Con ello es de hacer notar otros fenómenos que en vacío hemos considerado despreciables. La corriente primaria aumentada produce ahora una caída óhmica digna de ser tenida en cuenta, de modo que la f.c.e.m. se reduce algo en carga desde Ep0 hasta Ep1 . Al mismo tiempo la f.m.m. del devanado, incrementada por Ip , da origen a un flujo fdp de dispersión primaria (flujo de autoinducción no conectado con el secundario) que tampoco puede dejar de tenerse en cuenta. La f.c.e.m. del primario en carga, debida al flujo común f, varía así por dos conceptos: por la caída óhmica y por la f.e.m. de reactancia debida al flujo primario disperso. Éste a su vez, requerirá, para mantenerse, una corriente algo distinta de I0 ; sea I01 . La f.e.m. secundaria Es, debida al mismo flujo común, será, pues, menor que en vacío, y análogamente, la f.m.m. de la bobina engendra un flujo de dispersión fds , y éste , una f.e.m. de reactancia que se combina con la anterior y da una resultante Es1 la cual junto con la caída por resistencia del devanado, contribuye a producir en los bornes una diferencia de potencial Us distinta también de la que se obtuvo previamente, Us0.

II.- CLASIFICACION Y TIPOS DE TRANSFORMADORES La clasificación de los transformadores puede hacerse atendiendo a varios criterios, como sistema de corrientes, variación de la tensión, tipo de construcción, sistema de refrigeración, etc. Según el sistema de corrientes utilizado en la conexión de los devanados, se clasifican en monofásicos, bifásicos y polifásicos. Según el sentido de variación de la tensión, pueden ser elevadores y reductores. Un mismo transformador puede ser elevador o reductor; dependerá de la conexión a la red. En el aspecto constructivo, se dividen en acorazados y de columnas. Atendiendo a los tipos de ejecución los transformadores se dividen, según sea su finalidad de aplicación y potencia, en: a) pequeños transformadores, con potencias hasta 16 kVA. b) transformadores de red o de distribución, con potencias hasta unos 1600 kVA. c) grandes transformadores, con potencias desde unos 2 MVA. 2.1 TRANSFORMADORES TRIFASICOS En lugar de utilizar tres transformadores, en la transformación de sistemas trifásicos, pueden disponerse los devanados primarios y secundarios sobre un mismo núcleo dando lugar al transformador trifásico. 2.2 TRANSFORMADORES DE COLUMNA En estos transformadores tanto el primario como el secundario se encuentran repartidos entre las columnas del circuito magnético, que se cierra por medio de las culatas. La construcción en columnas requiere mayor cantidad de cobre, pero menos hierro. El arrollamiento de baja tensión, se dispone casi siempre en el interior, más próximo al hierro, para alejar el peligro de un arco entre el núcleo y el devanado de alta y facilitar las reparaciones de este devanado. A fin de reducir una caída de tensión en los estos

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Universidad Politécnica de El Salvador transformadores, se puede disponer el devanado de baja subdividido en dos mitades, quedando el de alta en la parte central. Su empleo sin embargo, tiende a disminuir. 2.3 TRANFORMADORES ACORAZADOS En estos, ambos devanados se encuentran sobre el mismo núcleo; y el circuito magnético se cierra por uno y otro lado alrededor de las bobinas. En los acorazados el hierro rodea simétricamente a ambos arrollamientos; las bobinas se colocan a veces alternadas, dejando entonces dos secciones de baja tensión en los extremos. La caída de tensión por reactancia disminuye también con esta disposición. 2.4 TRANSFORMADORES REDUCTORES O ELEVADORES Esta clasificación dependerá de la conexión a la red; así en los transformadores elevadores, la tensión inducida en el devanado secundario será superior a la del devanado primario, mientras que el transformador reductor, la tensión en el arrollamiento secundario será inferior a la del primario. 2.5 PEQUEÑOS TRANSFORMADORES Son transformadores en seco, es decir; el núcleo y los arrollamientos no están inmersos en aislante líquido entre ellos figuran los 2.5.1.- TRANSFORMADORES DE ADAPTACION Y CONTROL Sirven para adaptar la tensión de la red a las condiciones de los variados cambios de aplicación. Estos transformadores se construyen con arrollamientos separados o con solo un arrollamiento de alta tensión del que se deriva la baja tensión a través de tomas (autotransformador). 2.5.2.- TRANSFORMADORES DE SEGURIDAD Estos transformadores se construyen siempre con devanados separados de entrada y salida para que no se pueda establecer ninguna unión galvánica entre el lado de entrada y el de salida, puesto que de lo contrario, en caso de defecto el arrollamiento de baja tensión podría alcanzar tensiones inadmisiblemente altas. 2.6 TRANSFORMADORES DE RED O DISTRIBUCION Sirven para reducir o elevar la tensión en redes de media tensión. Se aplican principalmente para abastecer directamente redes de distribución de baja tensión. Estos transformadores de red están generalmente rellenos de líquido. En esta gama de potencias medias se utilizan también transformadores en seco. En los transformadores rellenos de líquido se emplea en la mayoría de las ocasiones como medio refrigerante y aislante un aceite especial. Como el aceite para transformadores es combustible, en lugar de este medio se utilizan askareles (no combustibles) cuando un posible incendio pudiera tener consecuencias graves que puedan afectar directamente a `personas. Los transformadores en baño de askarel suelen llevar el nombre comercial de dicho líquido aislante. 2.7 GRANDES TRANSFORMADORES Constituyen principalmente el eslabón que enlaza las redes trifásicas de máxima tensión (110kV, 220kV, 380kV) con las redes trifásicas de media tensión (10kV, 20kV), así como el que une los generadores y las redes. Se construyen en ejecuciones monofásicas y trifásicas en baño de aceite. Generalmente se instalan a la intemperie. 2.8 TRANSFORMADORES ESPECIALES

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Universidad Politécnica de El Salvador Comprendidos bajos los mismos principios generales de los transformadores que hasta aquí hemos descrito, existen multitud de otros aparatos, de aplicación entre los cuales podemos mencionar: - Autotransformadores - Transformadores de medida - Transformadores de corriente constante - Transformadores de varios arrollamientos - Transformadores trifásicos - monofásicos - Transformadores de Soldadura Eléctrica 2.8.1.- AUTOTRANSFORMADORES Es posible reunir en uno solo los dos devanados de un transformador monofásico o de cada fase de un transformador trifásico sin que el sistema altere sus características esenciales. El autotransformador presenta ventajas e inconvenientes frente al transformador; por ello, será de utilidad en determinadas ocasiones, como es el caso de uso en redes de distribución, siempre que no haya una variación superior al 25% de la tensión inferior con respecto a la tensión superior. Al igual que sucedía con el transformador, el autotransformador podrá ser reductor o elevador. Son de destacar las reducidas caídas de tensión y perdidas de estos aparatos, de forma que pueden considerarse despreciables.

2.8.2.- TRANSFORMADORES DE MEDIDA Con frecuencia hay que conectar instrumentos de medida, aparatos de protección, réles, etc., que vigilan tensiones y corrientes elevadas; sino se dispusiera de tales transformadores, sería imposible trabajar con magnitudes de corrientes y tensiones muy altas que provocarían dificultades insalvables tanto en los propios instrumentos como en los dispositivos de protección y maniobra. Además, no se puede olvidar el riesgo que encierran las altas tensiones para el operario que se encuentra en trabajos de conservación y mantenimiento de las instalaciones eléctricas. Pueden resolverse estas dificultades reduciendo las tensiones e intensidades de corriente a valores aceptables mediante el empleo de los transformadores de medida. De esta necesidad, surge el transformador de tensión y de corriente, que deben cumplir con una serie de requisitos y características generales de construcción. 2.8.2.1.- CARACTERISTICAS GENERALES a) Deben aislarse los circuitos y aparatos de medida de la alta tensión. b) Se evitarán perturbaciones electromagnéticas causadas por fuertes corrientes reduciendo las intensidades de cortocircuito a valores admisibles. c) Hay que obtener intensidades de corriente o tensiones proporcionales a las que se desea medir y vigilar. d) La precisión de los transformadores será de clase 0.5, y un factor de potencia, en el secundario del transformador, de 0.8. e) Los transformadores hasta las tensiones de 30 kV serán del tipo seco y los arrollamientos irán envueltos en una masa de resina. Para 45 kV podrán ser, indistintamente, secos o en baño de aceite. 2.8.3.- TRANSFORMADORES DE CORRIENTE CONSTANTE Tiene por objeto transformar la energía de una red primaria a tensión constante, en energía a intensidad constante, para la red secundaria. La potencia consumida varía en ésta, principalmente, por la tensión, y en aquella se nota por variación de la corriente y

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Universidad Politécnica de El Salvador del factor de potencia; sobre todo en los tipos de regulación automática, por la del factor de potencia. El método consiste en hacer que al aumentar o disminuir la impedancia Zc del circuito alimentado por el secundario del transformador, aumente o disminuya proporcionalmente y de modo automático el flujo concatenado con este arrollamiento, con la cual la f.e.m. inducida en él variará en la misma proporción, y la corriente secundaria permanecerá prácticamente constante . Como aplicando tensión fija al devanado primario el flujo abrasado por él será también constante, prescindiendo de la caída óhmica, es natural que no pueda alterarse el flujo concatenado con el secundario de otra forma que modificando la dispersión, lo cual influye directamente sobre el factor de potencia de la carga primaria; de aquí que la regulación por cualquiera de estos métodos entrañe siempre el funcionamiento con un Cos j muy bajo, aunque la carga secundaria sea puramente resistiva, como suele ocurrir en las aplicaciones de tales transformadores, destinados, por lo general, a alimentar instalaciones de alumbrado en avenidas y carreteras. 2.8.4.- TRANSFORMADORES TRIFASICOS-MONOFASICOS Estos transformadores vienen determinados por un bobinado trifásico, cuyo primario se encuentra conectado generalmente en estrella y el secundario en conexión monofásica, con solo dos salidas para ser empleadas en los circuitos de utilización monofásica. Con este transformador, si existen consumos monofásicos importantes, las compañías suministradoras exigen el empleo de un sistema que reparta la carga entre las tres fases del sistema trifásico. El sistema monofásico desequilibra la tensión de red de alimentación y cualquier solución que pueda tomarse para solventar el problema es muy difícil que resulte satisfactoria. Hay que admitir, pues, repartos imperfectos de la carga monofásica entre las tres fases del sistema trifásico, aun a costa de no guardar el equilibrio. Es necesario poseer la pericia suficiente para conectar tanto el primario como el secundario de forma tal que se pueda más o menos admitir un desequilibrio parcial de las fases del sistema, según la magnitud de la carga monofásica. Así, pues, se obtienen diferentes tipos de conexión, según sea la carga secundaria. - Conexión Scott Monofásica - Conexión V-v invertida - Conexión Taylor, etc. 2.8.5.- TRANSFORMADORES DE VARIOS ARROLLAMIENTOS Son transformadores que, tanto el primario como el secundario, tienen varios arrollamientos bajo un núcleo magnético común, aunque las intensidades y las tensiones de los diferentes arrollamientos no sean iguales. Son empleados para transformadores de pequeñas y medianas potencias aunque, en algunos casos, la capacidad de potencia puede alcanzar valores muy altos. 2.8.6.- TRANSFORMADORES DE SOLDADURA ELECTRICA Los transformadores empleados para realizar la operación de soldar difieren unos de otros según las características estudiadas por las casas constructoras y la finalidad del trabajo al cual se destinan. El primario es un devanado trifásico de dos ramas en conexión abierta, semi equilibrado, cuyo desequilibrio en corrientes es del orden de 2 a 1; y el secundario esta compuesto por un arrollamiento monofásico especial, formado por dos bobinas. Cada

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Universidad Politécnica de El Salvador bobina está situada en un núcleo propio y la conexión de las bobinas se realiza en serie, por lo cual se suma de cada una de las tensiones del bobinado secundario y, en consecuencia, se obtiene una tensión de cebado óptima. Estando el transformador en carga, las dos tensiones del secundario se restan, haciendo reducir la resultante a la tensión de arco.

III.- FENOMENOS TRANSITORIOS El estudio de los fenómenos transitorios en las máquinas y transformadores eléctricos constituye una parte interesante de la electrotecnia, consideraremos en este momento los dos grupos de fenómenos que siguen: a) sobretensiones. b) sobrecargas. 3.1 SOBRETENSIONES Un transformador puede estar sometido a fuertes sobretensiones momentáneas que hagan saltar el aislamiento, aunque se halle ampliamente previsto para la tensión normal. Las causas son casi siempre impactos de voltaje equivalentes a ondas de elevada frecuencia, cuya propagación, por lo mismo, es difícil a lo largo de los devanados, dando origen con ello a una concentración anormal de las sobretensiones en zonas determinadas. Estos impactos pueden proceder de la línea en servicio u originarse simplemente al conectar o desconectar el transformador. 3.1.1.- IMPACTOS PROCEDENTES DE LA RED Toda perturbación que produzca un cambio en las condiciones electrostáticas o electromagnéticas en algún punto de la línea se propaga a lo largo de ésta con velocidad muy elevada, pero finita, en forma de onda de voltaje, hasta incidir finalmente sobre los devanados de los transformadores. La causa de aquella perturbación puede ser una descarga atmosférica, la interrupción de una sección importante de la línea, arcos a tierra, cortocircuitos; accidentes en líneas próximas, transmitidos por efecto inductivo o electrostático, etc.; y la clase de ondas vagabundas más perjudiciales, las que denominaremos de choque, cuyo rápido crecimiento inicial equivale a una frecuencia elevadísima. 3.1.2.- SOBRETENSIONES DE CIERRE Y APERTURA DE CIRCUITO Similar a la acción de una onda de voltaje propagada desde la línea, es la que se origina al conectar el transformador a la red. La amplitud del impulso depende del momento de cierre del interruptor. La onda reflejada se suma al incidente, no pudiendo resultar sin embargo, un potencial de cresta superior al doble del valor máximo de la tensión aplicada. La apertura del interruptor, al separar el transformador del circuito, da también origen a la aparición de sobretensiones en los devanados por efecto de la energía magnética acumulada en el núcleo (autoinducción).El peligro es menor si la ruptura se efectúa en carga, porque el secundario permanece cerrado sobre la red, y el régimen de extinción del flujo es menos rápido. Como conviene, por lo general, interrumpir antes el circuito secundario, puede disponerse transitoriamente una resistencia local que lo substituya, aunque es raro que sea preciso acudir a precauciones de esta clase si el transformador está bien construido. 3.2 SOBRECARGAS Aparecen en el momento de cerrar el interruptor para conectar los transformadores a la red, incluso en vacío, y además, naturalmente, en casos de cortocircuito. 3.2.1.- EXTRACORRIENTES DE CONEXION

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Universidad Politécnica de El Salvador Pueden alcanzar valores transitorios tan fuertes que incluso hagan saltar los fusibles, y desde luego, en la mayoría de los casos, el efecto es perceptible sobre las lámparas incandescentes por la caída momentánea que provocan en las líneas. Dos son los factores de los que depende la corriente transitoria de conexión: el valor instantáneo de la tensión, al cerrar el circuito, y el estado de inducción residual, en magnitud y signo, del núcleo del transformador. Las condiciones más desfavorable corresponden teóricamente al cierre del interruptor en el momento de tensión nula y con una inducción remanente igual al máximo normal en servicio, perro de signo contrario al que requeriría el sentido de variación de la f.e.m. . 3.2.2.- CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO Cuando se produce un contacto directo entre dos conductores de línea secundarios, o entre uno de ellos y tierra, si la red lleva neutro de esta clase, la corriente toma un valor cuyos efectos pueden ser desastrosos para los devanados. Es cierto que la acción de los fusibles evita generalmente que el arrollamiento o los aislantes se quemen; pero los esfuerzos que se desarrollan entre las espiras crecen instantáneamente con el cuadrado de la intensidad, y los pocos períodos que tarda en romperse el cortocircuito bastan para producir serias averías en el transformador.

IV. - CONSTRUCCION DE TRANSFORMADORES. Desde el punto de vista constructivo, y comparada con el transformador, ninguna máquina goza de su fácil montaje, de la seguridad mecánica y eléctrica, de los dispositivos del conjunto y del sencillo y extraordinario proceso de transformación de la energía. El gran rendimiento que se ha obtenido en estas máquinas estáticas es fruto del laborioso proceso de investigación tecnológica sobre los circuitos magnéticos, así como de estudios minuciosos de cada uno de los elementos que constituyen el transformador. a) El núcleo b) Bobinas c) Aislantes, etc. 4.1 EL NUCLEO Los núcleos magnéticos de los transformadores están formados por chapas ferromagnéticas de hierro -silicio y otros elementos; su superficie exterior se encuentra aislada desde el punto de vista eléctrico. En los transformadores antiguos, la chapa magnética empleada en la construcción de los núcleos era una aleación de hierro - silicio tratado adecuadamente mediante el laminado en caliente. Hoy en día, las técnicas modernas han obtenido un material idóneo de chapa magnética que, sometida a un proceso adecuado de laminado en frío, ha mejorado considerablemente las propiedades magnéticas. El proceso de obtención de laminado en frío se llama comúnmente de grano orientado. El porcentaje de acero - silicio que la chapa magnética tiene, empleando el laminado en frío, oscila entre un 3 y 3,5 % de silicio. La aportación del silicio mejora el coeficiente de resistividad del acero y disminuye las pérdidas por histéresis. En su formación interna estructural, los cristales tienden a orientarse rápidamente al someter las chapas magnéticas a una imantación proveniente del campo producido por una corriente eléctrica. Al laminar en frío la chapa, se originan tensiones internas, formadas por su composición cristalina, que perjudica a la característica magnética de la chapa. Por ello, se somete a un tratamiento térmico adecuado que, además de disminuir las tensiones internas,

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Universidad Politécnica de El Salvador mejora las características magnéticas y proporciona una adecuada orientación del grano. 4.1.1.- CARACTERISTICAS FUNDAMENTALES Las superficies de las chapas no deberán presentar grumos ni rugosidades y serán completamente lisas, sin poros , grietas ni cascarilla abundante .No presentarán ondulaciones y estarán perfectamente planas y sin alabeos. Deberán permitir su aplanamiento y no serán quebradizas. Las chapas serán de un espesor constante, con tolerancias máximas del 10%. Los espesores más frecuentes y, por lo tanto más recomendables serán los de 0,35 y 0,5 mm. Los anchos serán de 500 y 1000 mm y las longitudes de 1000 y 2000 mm. Los elementos constituyentes de las chapas magnéticas se comprobarán por análisis químico. Independientemente del contenido de silicio, que oscilará entre un 0,5 y hasta un 4,5%, según la calidad de la chapa, convendrá también que el carbono no exceda, en general, de 0,07 %; el azufre, del 0,03%; el fósforo, 0,02%; y el manganeso, 0,3%. Las características de la composición estructural más favorable serán aquellas con las que se logre un tratamiento térmico correcto, el cual depende de su composición química y de la temperatura final de laminación. 4.2 BOBINAS Los bobinados suelen componerse de hilo de cobre esmaltado, cuya sección depende de la potencia del transformador y de las densidades de corriente permisibles. En los transformadores pequeños las densidades de corriente toman valores entre 1 (A/mm2) y 6 (A/mm2) según la potencia y la refrigeración. Según cuáles sean los valores de las tensiones existentes entre las diferentes capas de los bobinados y el uso al que se destine el transformador deberán aislarse adicionalmente unas capas de otras (aislamiento de capas). Si los distintos bobinados se devanan uno encima de otro deberá también montarse un aislamiento entre ambos (aislamiento de bobinados). Para alcanzar tensiones de corto circuito reducidas es necesario que los campos que de dispersión sean pequeños. Esto se consigue en los llamados transformadores acorazados, devanando un bobinado sobre el otro . En los transformadores de columnas se logran tensiones de cortocircuito bajas disponiendo en cada cuerpo de bobinas tantas espiras correspondientes al primario como también al secundario. 4.3 AISLAMIENTOS En general, el aislamiento de los conductores eléctricos y de todas las partes activas que soportan tensiones en los transformadores, deben garantizar la seguridad y conservación de todos los elementos, pero de una manera especial hay que garantizar y salvaguardar la vida humana. El aislamiento de los conductores es esmaltado y sometido a las máximas temperaturas posibles dentro del transformador y debe resistir satisfactoriamente esas temperaturas producidas en condiciones normales de funcionamiento. Estas condiciones pueden incluir puntas de carga y algún cortocircuito ocasional; el aislamiento del conductor debe mantener satisfactoriamente sus características eléctricas a elevadas temperaturas y conservar las propiedades químico - físicas que requiere el aislamiento.

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Universidad Politécnica de El Salvador Gran parte del aislamiento del transformador es interior o está próximo a los bobinados. Para los principales elementos de construcción, hay que tener en cuenta lo siguiente: 4.3.1.- AISLAMIENTO DE ESPIRAS. El aislamiento de las espiras constituye uno de los principales objetivos de todo fabricante de transformadores. Algunos constructores usan el aislamiento de permalex, sobre todo en transformadores solicitados por calentamientos elevados. En el bobinado de baja tensión se emplea en ocasiones , esmalte sintético para conductores ; y en los bobinados de media y alta tensión, se utiliza papel Kraft cianoetilado, que se trata químicamente en estado de pulpa para evitar la formación de agua y la consiguiente degradación del aislamiento. 4.3.2.- AISLAMIENTO DE CAPAS El aislamiento entre capas del bobinado consiste en un aislamiento sólido, amén de los canales de aceite que cumplen el doble cometido de aislamiento y refrigeración. En parte del aislamiento sólido de las capas, se utiliza papel Kraft de alta calidad. Se aplica al bobinado cortando el papel a la anchura de la capa del bobinado. 4.3.3.- AISLAMIENTO ENTRE ARROLLAMIENTOS El aislamiento entre arrollamientos de alta y baja tensión debe ser cuidadosamente tratado, por la importancia y repercusión que puede tener en la seguridad y vida del transformador; se construye generalmente de cilindros aislantes de cartón prensado o de papel impregnado con resinas sintéticas. Se colocan entre arrollamientos y entre el arrollamiento más cercano al núcleo y éste. 4.4 BARNICES COMPATIBLES El uso del barniz aislante es necesario para una protección adecuada de los varios componentes del equipo eléctrico. Papel, tela y fibra de vidrio contribuyen con los barnices aislantes para ofrecer mayor resistencia eléctrica, dando al mismo tiempo, protección contra la humedad, grasa y demás materiales extraños. Antes de seleccionar el tipo de barniz que se usará en una aplicación particular se deberá hacer un análisis de las necesidades. A continuación damos una lista que ayudará a seleccionar el barniz correcto para cada aplicación. a) El fin a que se destine la bobina (armadura, solenoide, transformador, etc.). b) Tipo de alambre. c) El tamaño de la bobina que se va a aislar. d) Otros aislamientos usados (mica, papel, etc.). e) Temperatura ambiente. f) Protección especial requerida (contra vapores de ácidos, alcalisis, húmeda). g) Método de aplicación (brocha, pistola de aire o inmersión). h) Equipo de impregnación al vacío. i) Capacidad del tanque de inmersión. j) Facilidad con que se cuenta para hornear. Los barnices aislantes se separan en dos grupos principales que son: (1) reactivos al calor y (2) no reactivos al calor. Tomando en consideración que en la industria se encuentra una gran variedad de condiciones de operación, es muy difícil hacer un solo barniz que satisfaga todas las necesidades. Algunas clases de equipo requieren una carga rígida y dura, mientras que otras requieren una suave de tipo más flexible para permitir expansión y contracción. 4.4.1.- APLICACION En el tratamiento de equipo eléctrico con barniz aislante, es necesario remover con anterioridad cualquier humedad que se pudiera haber acumulado dentro de la unidad. Esto puede hacerse por medio de precalentamiento.

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Universidad Politécnica de El Salvador Generalmente se emplean dos métodos para tratar equipo con barniz, que son: a) Inmersión directa. b) Impregnación al vacío. En el primer método las unidades se sumergen en el barniz y se les deja permanecer en él hasta que cesa el burbujeo. Esta es una indicación de que todo el aire ha sido desalojado y reemplazado con el material aislante. En el segundo método, las bobinas precalentadas, se colocan en un tanque de vacío y se aplica durante éste durante 30 minutos aproximadamente, tiempo durante el cual el aire es removido de las bobinas. Una válvula, generalmente situada entre la cámara de vacío y el tanque de almacenamiento de barniz, se abre y en esta forma se permite el paso de barniz lentamente hasta que las bobinas quedan cubiertas con él. La válvula se cierra entonces y las bobinas se dejan sumergidas por 15 minutos aproximadamente. Entonces se rompe el vacío y se sacan las bobinas, dejando que escurran hasta que el barniz deja de gotear. Después de lo anterior estas bobinas se introducen al horno de cocimiento y se dejan en él durante tiempo y temperatura previamente determinadas para que se lleve a cabo la conversión de la resina. 4.4.2.- CONSERVACION DE LA CALIDAD DEL BARNIZ Un barniz que ha estado en un tanque al vacío por algún tiempo, generalmente acumula polvo, sedimento y partículas de cobre o algodón, etc., todo lo cual contribuye a dar un acabado de poca calidad. Por consiguiente recomendamos muy especialmente que se haga algún arreglo para filtrar periódicamente el barniz y limpiar el tanque de inmersión. Cuando los barnices están al aire como es el caso de la operación de inmersión en tanques, los solventes en la mayoría de los barnices se evaporan. Dicha evaporación se acelera cuando las bobinas, etc., son precalentadas antes de la inmersión. El resultado es que el contenido de los sólidos es aumentado con un cambio subsecuente en densidad y viscosidad. Si el barniz es aplicado demasiado viscoso pueden ocurrir arrugamientos, fibrosidades y otras condiciones indeseables. Entonces es necesario substituir el adelgazador perdido por evaporación para mantener una producción de alta calidad. La cantidad de adelgazador fresco que debe ser añadida puede determinarse con un densímetro. 4.5 SECADO Y EXTRACCION DE LA HUMEDAD Este tratamiento actúa también como un medio de eliminación de tensiones que se pudiera acumular en el barniz del alambre en el proceso de devanado o formado de las bobinas. Otra función del precalentamiento, es la de eliminar el aire ocluido en el interior de los bobinados , cosa que posteriormente podría ocasionar una succión adicional de barniz a la bobina cuando se sujete al proceso de inmersión, por lo tanto en esta forma se eliminan fallas. 4.6 ACEITES Proviene de la destilación del petróleo bruto, sin ulterior tratamiento. Sirve a un tiempo como aislador y como refrigerante, aunque la practica americana fía menos la construcción al poder aislante del aceite que a los demás recursos provistos para dicho fin. Todo aislamiento está diseñado para una larga vida de servicio contando con que las cualidades del aceite se mantengan por encima de unos valores mínimos recomendados.

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Universidad Politécnica de El Salvador Las normas UNE definen los aceites aislantes con las condiciones y características siguientes: a) Naturaleza. Los aceites deben ser exclusivamente minerales, obtenidos del petróleo por destilación fraccionada y refina sucesivos. b) Pureza y color. El aceite nuevo es transparente y completamente claro (sin enturbamiento alguno) cuando se observa en capas de 10 cm de espesor y a la temperatura de 20º C. No debe contener materias extrañas ni depósitos. El color determinado en el calorímetro debe ser inferior a 2,5 . c) Contenido de agua. Los aceites enviados en vagones cisternas deben estar exentos de agua una vez que se hayan dejado salir diez litros de la parte inferior de su contenido, después de un reposo de 24 horas. En los aceites enviados en bidones, el volumen de la capa de agua depositada no debe ser mayor del 0,01% de la capacidad del bidón. d) Peso específico. A la temperatura de 20º C, no debe ser superior a 0.92, aunque es aconsejable no pase de 0,89 . e) Viscosidad. No debe ser superior a 8 grados Engler a 20ºC, ni a 2 grados Engler, a 50º C. f) Punto de Congelación. No debe ser superior a -25º C. g) Punto de Inflamación. No debe ser inferior a 145º C. h) Rigidez Dieléctrica. No debe ser inferior a 90 kV/cm para aparatos en funcionamiento, en aceite seco o dispuesto a ser introducido en los aparatos no debe ser inferior a 125 kV/cm . i) Pérdida de peso por evaporación. Debe ser inferior a 0,2 %, después de calentarlo durante 5 horas a 100º C. j) Índice de tendencia al envejecimiento. Es la propensión que tienen los aceites, durante el servicio, a la formación de lodos, la tendencia al envejecimiento se fija por el índice de alquitranado o de Kissling, obtenido tras una oxidación previa. El índice de Kissling no debe exceder de 0,1 %; tampoco deben formarse depósitos de color oscuro durante su determinación. La investigación de la industria química permitió obtener el líquido sintético ininflamable que cumple las condiciones mencionadas y que satisface las más rigurosas exigencias. El líquido es conocido como Piraleno, constituido por una mezcla del 60 % de difenilos hexaclorados con un 60 % de cloro y un 40 % de triclorobencenos. El piraleno es de color blanco transparente de una densidad de 1,55, notablemente más elevada que la del aceite, pero una viscosidad y un punto de congelación análogo a los de aquel, siendo por el contrario más fuerte las pérdidas por evaporación. Posee elevada rigidez dieléctrica con valores superiores a los 30 kV/cm, resulta un líquido no inflamable y químicamente estable e inerte. SISTEMA DE REFRIGERACION DEL TRANSFORMADOR Dependiendo de las propiedades del sistema refrigerante del transformador, lo podemos clasificar de la siguiente forma: NORMA OA OW FA FOA FOW

DESCRIPCION SUMERGIDO EN LIQUIDO AUTOREFRIGERADO SUMERGIDO EN LIQUIDO CON AGUA REFRIGERADA SUMERGIDO EN LIQUIDO CON AIRE REFRIGERADO SUMERGIDO EN LIQUIDO FORZADO REFRIGERADO CON AIRE FORZADO REFRIGERADO SUMERGIDO EN LIQUIDO FORZADO REFRIGERADO CON AGUA FORZADA REFRIGERADA

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V.- CONEXION DE LOS TRANSFORMADORES TRIFASICOS En nomenclatura abreviada se utilizan las letras mayúsculas para alta tensión y minúsculas para baja tensión; así, para : delta (D, d); estrella (Y, y); zigzag (Z, z). Según se realice la conexión de los devanados primario y secundario, se obtendrán diferentes tipos de transformadores: a.- Estrella en el primario - estrella en el secundario (Y, y) b.- Estrella en el primario - delta en el secundario (Y, d) c.- Estrella en el primario - zigzag en el secundario (Y, z) d.- Delta en el primario - delta en el secundario (D, d) e.- Delta en el primario - estrella en el secundario (D, y) 5.1.- CONEXION ESTRELLA - ESTRELLA (Y, y) En este tipo de transformador, sus devanados primarios y secundarios están conectados en estrella, y se pueden llevar al neutro tanto al primario como al secundario. La relación de transformación simple se determina como cociente entre el número de espiras de una fase del primario y otra del secundario y coinciden con la relación entre las f.e.m. por fase de ambas en vacío: a = N1 / N2 = Vp / Vs 5.1.1.- INCONVENIENTES DE LA CONEXION Y - y El principal inconveniente es el desequilibrio de tensiones en la línea conectada al primario, que aparece cuando hay fuertes desequilibrios en la carga secundaria. Así, el transformador Y - y , con neutro en ambos devanados, al sobrecargar una fase del secundario (la) , aumentará proporcionalmente la corriente en la fase del devanado de la misma columna del primario (IA) y, por tanto, provocará una caída de tensión mayor en un conductor de línea que en los otros dos. Si el transformador solo dispone de neutro en el secundario, todavía es mayor el desequilibrio, puesto que una sobrecarga en el secundario (la) provoca otra en el primario (IA), que al carecer de neutro, hace que circule por las otras dos fases ( IB e IC), sin que hayan variado las corrientes del secundario de estas fases (Ib e Ic). Un fuerte aumento de IB e IC, sin estar compensadas, motiva una asimetría en los flujos y, por tanto, un desequilibrio de las f.e.m. del primario y del secundario. 5.1.2.- VENTAJAS DE LA CONEXION Y - y Una ventaja muy interesante que presenta esta conexión es la posibilidad de sacar neutro, tanto del lado de baja tensión como del lado de alta tensión. El neutro permite obtener dos tensiones, como es el caso de las líneas de distribución (120/208), o bien conectarle a tierra como medida de seguridad en cierto tipo de instalaciones. En general puede afirmarse que este tipo de conexión es más utilizado para pequeñas potencias, ya que, además de las ventajas antes citadas, resulta más económico, por aplicarse una tensión a cada fase IL / 3 y por consiguiente, disminuir el número de espiras, aunque ha de aumentarse la sección de los conductores, por circular la corriente de línea por cada fase. Por otra parte el aumento de la sección de los conductores favorece la resistencia mecánica a los esfuerzos de cortocircuito. 5.2.- CONEXION ESTRELLA - TRIANGULO (Y - d) El devanado primario está conectado en estrella mientras que el secundario está en triángulo (delta). La relación de transformación será: a = 3 N1 / N2 5.2.1.- INCONVENIENTES DE LA CONEXION Y - d No dispone de salida de neutro y, por tanto no tendrá utilidad en redes de distribución a dos tensiones. Por el mismo motivo, tampoco podrá conectarse a tierra el secundario.

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Universidad Politécnica de El Salvador Cualquier interrupción en alguna fase del secundario deja fuera de funcionamiento al transformador. Aunque el primario puede conectarse a tierra como medida de protección de línea, no es aconsejable, por dar lugar a la aparición de armónicos siempre perjudiciales. 5.2.2.- VENTAJAS DE LA CONEXION Y - d En el funcionamiento con cargas equilibradas, el desequilibrio en dos fases, como las a y b, se reparten entre las tres fases del secundario, a, b, c, transmitiéndose por tanto a las tres fases del primario, A, B, C. En definitiva, este tipo de transformador es de uso muy limitado; por ejemplo, como reductor de tensión al final de líneas. 5.3.- CONEXION ESTRELLA ZIGZAG Para salvar el inconveniente del funcionamiento del transformador estrella estrella para cargas muy desequilibradas y conservar sus ventajas, surgió la conexión estrella zigzag, aunque eleva su costo con respecto a aquel. La conexión Zigzag consiste en dividir cada devanado de una fase en dos partes iguales y enrolladas en sentido contrario, en dos columnas consecutivas, conectándolos en serie. En la determinación de las relaciones de transformación, ha de tenerse en cuenta el desfase existente entre las bobinas del secundario por encontrarse en distintas columnas. La f.e.m. por fase del secundario se obtiene por suma vectorial de las dos f.e.m. inducidas en dos bobinas (superior e inferior) de dos columnas consecutivas. El diagrama vectorial de la conexión zigzag se obtiene partiendo de una estrella equilibrada que corresponda a las f.e.m. de las tres bobinas conectadas al núcleo y, a continuación, se representan las f.e.m. de las tres bobinas restantes, teniendo en cuenta que en la misma columna la f.e.m. inducida en una bobina, es de sentido opuesto a la inducida en la otra bobina. Así, pues, la f.e.m. inducida en una fase del devanado trifásico en conexión zigzag es 3 veces superior a la f.e.m. inducida en cada una de las bobinas que intervienen en dicha fase. Para averiguar la relación de transformación es necesario advertir que la f.e.m. inducida en una columna en conexión zigzag sería dos veces el valor absoluto de la f.e.m. inducida en cada bobina. En realidad es la relación de tensiones por columna. de donde tenemos que a = 1.154 N1/N2 5.3.1.- INCONVENIENTES DE LA CONEXION ESTRELLA ZIGZAG Uno de los inconvenientes que presenta este transformador es el proporcionar en el secundario una tensión compuesta inferior a la que daría un transformador estrella estrella del mismo número de espiras en el primario y secundario. El valor de la tensión entre fases Vab puede deducirse a partir de las expresiones: Transformador estrella estrella V'ab = 3 * e'2 Transformador estrella zigzag Vab = 3 ( 3 * e2) = 3*(e'2/2) ya que e'2 = e1 + e4 (en valor absoluto). Dividiendo estas expresiones, resultar