Transformadores

 

Transformadores

7 de junio de 2020

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Capítulo 1

Introducción

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1.1 Usos del Transformad Transformador  or  El transformador es una de las máquinas eléctricas más utilizadas, aplicadas ampliamente para transmitir la energía necesaria en el lugar necesario. Se usa también para reducir voltaje para fuentes de alimentación de equipos electrónicos, acopladores de impedancias en sistemas de audio, producción de alto voltaje, alta frecuencia, etc. [email protected]

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1.1 Usos del Transformad Transformador  or  ¿Cómo funciona un transformador? Se produce un campo magnético variable en el núcleo del hierro. 3 2 El campo magnético induce una corriente alterna en la

1 La corriente cuyo voltaje se desea transformar circula por la bobina primaria se encuentra enrolladaque al núcleo.

bobinalasecundaria, desde donde corriente sale transformada.

Los transformadores eléctricos sólo pueden funcionar con corriente alterna (CA).

Bobina Secundaria o “Secundario”. Núcleo o Marco de hierro

Bobina Primaria o “Primario”.

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Símbolo del transformador 4

 

1.1 Usos del Transformad Transformador  or  Capacidad de los transformadores

MVA (megavoltamperes) + 1.000.000 VA

Espiras La corriente recorre las espiras del transformador; así, el número de espiras en cada bobina determina el voltaje final: si las espiras del primario es menor que el del secundario, el voltaje de la corriente aumenta, mientras que, si es superior, el voltaje disminuye.

kVA (kilovoltamperes) Mayor voltaje

+ 1.000 VA VA (voltamperes)

Menor voltaje

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1.2 Leyes Físicas para los Transformadores La ley de Oersted-Ampere establece que un conductor que lleva una corriente eléctrica produce un forma camposemagnético de él. De esta relaciona alrededor una cualidad eléctrica (corriente) con una magnética (campo magnético).

La ley de inducción electromagnética de Faraday es uno de los principios físicos más utilizados. entender una grancon la cantidad dePermite fenómenos relacionados electricidad y la operación de las máquinas eléctricas. La ley de la inducción electromagnética de Faraday dice que si se tiene un conductor en un campo magnético variable, éste produce un voltaje.

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  Núcleo Son laminaciones de material ferromagnético que enlaza las bobinas del primario y del secundario a través del campo magnético generado por la bobina del primario.

Fuente de CA Carga

Bobina o devanado primario Es el que recibe el suministro de corriente alterna y es en donde se determina el sentido de flujo de energía debido a que es la entrada del transformador.

Bobina o devanado secundario Es donde se induce el voltaje y se conecta a la carga, así, el sentido de flujo de energía es la salida del transformador.

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  Clasificación de los aceros aceros utilizados en el núcleo Aceros Eléctricos

De grano orientado de De grano no orientado Los aceros eléctricos de grano no orientado presentan una saturación magnética elevada. Son dúctiles, poseen propiedades de estampado buenas y además tienen una buena permeabilidad en altas, moderadas y bajas inducciones.

alta direccionalidad

De grano orientado de alta permeabilidad

Los aceros de grano orientado de alta direccionalidad tienen

Los aceros de grano orientado de alta permeabilidad

una alta propiedad magnética de pérdidas de núcleo muy inferior y alta permeabilidad.

presentan bajaa pérdida de una núcleo altas inducciones de operación.

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  El núcleo de los transformadores Está formado por chapas delgadas de acero magnético al silicio de grano orientado laminado en frío con aislamiento inorgánico en ambas caras tipo: M4 (0,28 mm), M3 (0,25 mm), HiB (0,30 mm), entre otros.

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  Clasificación de los aceros utilizados en el núcleo

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  El núcleo de los transformadores

Corte del núcleo apilado en 45º del tipo solapes múltiples “StepLap”  Reducción de hasta 40% de la corriente de excitación; Reducción del nivel de ruido en hasta 3 dB; Reducción de las pérdidas en vacío en hasta 10%. [email protected]

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  El núcleo de los transformadores

Las láminas de núcleo son aseguradas por una estructura de prensado que permiten reducir las vibraciones, el nivel de ruido y los sobrecalentamientos [email protected]

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  El núcleo de los transformadores

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r 

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  Componentes internos de un transformador 8 1

Conjunto o paquetes de bobinas

2

Herrajes superiores

3 4

Herrajes inferiores Soportes de madera de haya Líneas de cables de alta tensión

5

6

2

6

5

Líneas de cables deS/N. regulación tensión Líneas de cables de baja tensión

7

Bases para izar la parte viva.

8

Orejas viva. para izar la parte

1

7

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4

3

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1. Núcleo 2. Devanados BT 3. Devanados AT 4.Bobinados de regulación 5.Conexión de Conductores 6. Aisladores Aisladores pasa tapas de BT 7. Aisladores Aisladores pasa tapas de AT 8. Vigas de prensado del Núcleo 9. Ca Camb mbia iado dorr de de deri riva vaci cion ones es

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bajo carga 10. Accionamiento motorizado 11. Tanque 12. Tanque de expansión 13. Radiadores 14. Accesorios

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  Conjunto o paquete bobinasde

Están compuestos generalmente por alambre de cobre barnizado y, y, en su caso, cuando son transformadores de gran tamaño, por pletinas de cobre; aquí el esmagnetismo por donde seque conduce la energía eléctrica y donde se genera después es, de nueva cuenta, transformado a energía eléctrica.

Herrajes superiores e inferiores

Son estructuras de acero que, como su nombre lo indica, van arriba y abajo del conjunto de bobinas, y esto es con la finalidad de sujetar el conjunto de bobinas yy,, con este mismo herraje, afianzarlo a la caja del transformador.

Soportes de madera de haya

Estos son para cubrir la parte frontal del conjunto de bobinas y son para proteger la parte viva y que no golpee nada contra ellas. En la actualidad se utiliza también triplay de madera contrachapado.

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  Líneas de cables de alta,

Estos cables son los que hacen contacto con las boquillas y con las bobinas de la parte viva.

baja y tensión regulación de

Bases y orejas para izar la parte viva

Esta estructura esta diseñada para afianzar y cargar la parte viva.

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  Componentes externos de un transformador 3

10 4

1 12

11

9

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1.3 Partes del Transformador 1 Bo Boqu quililla lass de de alt altaa ten tensi sión ón Boquillas de baja 2 tensión

También llamados aisladores, estos casquillos sirven como acoplamiento para que entren los cables de alta o baja tensión según sea el caso y a la vez los aísla de algún corto o algún agente extraño que los pueda afectar afectar..

En transformador es la tapa donde también se localizan las el boquillas de alta tensión y sirve para soportar las mismas y además para cubrir la parte viva o generadora de la transformación. 4 Refuerzos principales de Sirve para sujetar firmemente a la tapa superior y que no tengan movimientos. tapa Par ared edes essuperior de la lado doss la larg rgos os se 5 la Las paredes, tanto de los lados largos como cortos, son Refuerzos de pared de estructuras de acero que sirven para completar la caja del 6 lados largos transformador junto con c on las tapas superior e inferior inferior.. Estos 7 Par ared edes es de la lado doss co cort rtos os lados sirven de igual manera para la protección de la parte 3 Tapa superior

8 Refuerzos de pared de lados cortos

viva y sus refuerzos son para asegurar unas con otras las paredes.

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1.3 Partes del Transformado Transformador  r  9

Base deslizable y ruedas

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Tanque conservador

11

Banco de radiadores

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Orejas de izaje Intercambiador de voltaje o TAPs

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El transformador cuenta con un sistema mecánico de movimiento para el rápido y fácil movimiento del transformador ya sea para pruebas o mantenimiento o incluso hasta para un cambio. Es un segundo tanque de aceite en el transformador (ya que en donde se encuentra la parte viva del transformador también es). Es un depósito de repuesto que cumple la función de conservar las impurezas del aceite, liberar presiones tener más espacio de alojamiento del aceite cuando se ytengan grandes volúmenes. Se cuentan con 2 registros de presiones de aceites que uno es para los TAPs y el otro es para el contenido de aceite de la parte viva. Son los encargados de disipar el calor mediante el fluido (aceite) y con esto aumentar la eficiencia del transformador. El método que utiliza el radiador para enfriar es por el sistema de FOA (Aire Forzado) y es por medio de turbinas que hacen pasar aire para enfriar el aceite. [email protected]

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 Actividad 1 Para finalizar el presente capítulo, le proponemos repasar los componentes externos de un transformador. Indique en la tabla el número de cada uno de los componentes externos que reconozca en las imágenes.

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 Actividad 1 Para finalizar el presente capítulo, le proponemos repasar los componentes externos de un transformador. Indique en la tabla el número de cada uno de los componentes

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Capítulo 2

Dispositivos de protección 24

 

2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Existe una gran cantidad de fallas o anormalidades que pueden ocurrir en los transformadores. Éstas pueden ocasionar daños tanto al equipo (transformador) como a personas.

Arrollamientos Conmutador de tomas bajo carga Núcleo Terminales Accesorios Cuba y aceite

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos • Un disp dispositiv ositivo o de protec protección ción de un transfor transformador mador eess un accesorio que se agrega a sus componentes básicos y cuya función es detectar una condición de falla, interrumpir (en ese caso) el suministro de alimentación eléctrica y evitar que se dañe dañe eell transfo transformador rmador.. • Algunos de esto estoss dispos dispositiv itivos os de prot protección ección ssólo ólo gene generan ran una señal de alarma que en ciertos casos producen una acción de interrupción, si después de cierto tiempo se ha mantenido la condición de falla. [email protected]

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Causa/Tipo defecto / Protección

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Relevador Buchholz

Tanque conservador Relevador Buchholz

El relevador de Buchholz es uno de los dispositivos protección para transformadores de potencia más importantes. Sólo se instala en transformadores cuya importancia y costo

Instalación del relevador Buchholz

lo justifiquen.de Sugas función es detectar la acumulación producida al presentarse un arco eléctrico o cortocircuito dentro del transformador transformador..

Tanque del transformador

El relevador Buchholzalse instala tubería que conecta cuerpo delen la transformador con su tanque conservador. Este relevador produce una señal de alarma o desconexión, es decir decir,, desenergiza al transformador cuando se detecta producción de gases generados por condiciones anormales a la operación del transformador. [email protected]

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Ensayo mecánico

Caja de bornes

Tapa Grifo de descarga

Válvula para ensayo mecánico Abrazadera para cables

Flotador

Interruptores

Lado del transformador

Válvula de flujo

Lado del conservador

Tapón de descarga

Ejemplo de un relevador Buchholz y sus partes

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Medidor de nivel Los transformadores de potencia están normalmente equipados con indicadores visuales de nivel de aceite. En estos mismos indicadores se tienen contactos (para alarma o desconexión) que indican niveles anormales del aceite. El indicador muestra el nivel del líquido por medio de una aguja en una escala graduada, y la posición de la aguja en la carátula se encuentra directamente acoplada con la posición de un flotador. Cuando el nivel de aceite baja, el flotador cae y produce la rotación de la aguja hacia la indicación LOW (bajo). Cuando se alcanza la LOW, se cierran los contactos que activan el circuito de alarma.

MANTENIMIENTO En un transformador es muy importante mantener una supervisión cercana del nivel del aceite. Un bajo nivel de aceite puede ocasionar un aumento en la temperatura del transformador, produciendo una alarma o la desconexión del transformador.

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Indicador de temperatura del aceite Carátula Aguja indicadora

Escala graduada 30   90 120

Temperatura del fluido °C

Valor de alta temperatura

Caja de conexiones Tubo capilar Conector Detector de temperatura

Este dispositivo indica, mediante una aguja en una escala graduada, la temperatura del aceite en la parte superior del transformador. Cuando pasa de un límite preestablecido, se puede optar por operar los ventiladores o dar una indicación de alarma. El indicador de temperatura de líquido consiste en un detector de temperatura, un tubo capilar con líquido y una unidad indicadora resistente al ambiente. Generalmente el nivel de alarma se fija a 85ºC (185 F) y el nivel de desconexión en 90ºC (194 F). °

°

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Indicador de temperatura de devanados Durante el proceso de fabricación del transformador se agregan varios indicadores de temperatura que están prácticamente en contacto temperatura con los devanados del transformador. Estos generalmente vienen como equipo estándar en transformadores tipo seco e incluyen al menos un interruptor por devanado. El indicador de temperatura (termostato) está precalibrado a un cierto nivel. Al llegar a este nivel generalmente opera una secuencia de desconexión para proteger al transformador de un deterioro en su aislamiento o un daño mayor. [email protected]

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Medidor / Indicador de flujo Es un dispositivo herméticamente sellado que indica el flujo de aceite en un transformador que opera con flujo forzado de aceite. El medidor/indicador se encuentra provisto de interruptores (contactos) para alarma que operan cuando el flujo cae aproximadamente un 50% del normal. El flujo de aceite, a través del sistema de enfriamiento, ejerce una presión sobre una paleta instalada en una flecha. La paleta se mantiene en su posición mediante un resorte. Cuando hay flujo de aceite la flecha se mueve en contra del resorte, este movimiento es proporcional a la magnitud del flujo de aceite. El movimiento de la flecha es transmitido a la aguja de indicación a través de un acoplamiento magnético. [email protected]

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Relevador de presión súbita El relevador de presión súbita es un dispositivo utilizado en transformadores para detectar cambios bruscos en la presión interna del tanque, las cuales pueden ser provocadas por un arqueo interno. Una ventaja de este relevador es el hecho de que no es susceptible a disparo (activación) por vibración,

Interruptor

Plug

de prueba Caja de

Brazo balancín

conexiones Actuador

Fuelle de control Orificio y compensador

Resorte Fuelle de control Aceite de silicón

Válvula

Líquido Fuelles de resortes

impacto (golpe) mecánico o a variaciones de presión debido cambios de temperatura. [email protected]

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Relevador de presión súbita Este relevador normalmente está montado en las paredes del transformador.. Un incremento transformador i ncremento en la presión del transformador causa una contracción de los fuelles sensores, así se fuerza una porción de su aceite de silicón dentro de los fuelles de control, produciendo su expansión

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Relevador de sobrepesión El relevador sobrepresión instala por lode general en la se cubierta del transformador, este relevador es del tipo de resorte y además se puede restablecer. Sirve Sir ve par paraa pro proteg teger er al transformador o al conmutador problemas relacionados con el exceso de presión. El relevador básicamente se forma de una cubierta protectora, sellos y una alarma visual (dispositivo indicador). [email protected]

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Relevador de sobrepesión La presión normal de operación del relevador se encuentra indicada en su placa de datos. Libera la sobrepresión evitando que elsetanque delAl actuar da transformador rompa. señal de disparo del transformador. Protege el tanque del transformador contra una sobrepresión producida repentinamente o gradualmente hasta un valor determinado.(8, 10 a 12 PSI).

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos Relevador de imagen térmica La duración de los transformadores depende de la temperatura de los devanados y al deterioro del si sist stem ema a de aisl aislac ació ión. n. Dleta bidteona stiránlactoenm ecpteardaotu s ra a sióqnu,enloosesdepvoasnibaldeosmeed a de los los de deva vana nado doss di dire rect ctam amen ente te.. El Indicador de la Temperatura del Devanado obtiene una “Imagen Térmica” del devanado simulando la temperatura existente en el devanado. El instrumento es esencialmente un indicador de la Temperatura del aceite, con una resistencia de calentamiento conectada a un transformador de intensidad. [email protected]

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos 1. Born Bornaa del del tran transf sfor orma mado dorr 2. Reos Reosta tato to de aj ajus uste te y calibración 3. Fuen Fuente tess de de alim alimen enta taci ción ón 4. Regi Regist stra rado dorr temp temper erat atur uraa 5. In Indi dica cado dorr a dist distan anci ciaa de temperatura 6. Tran Transf sfo ormad rmado or de de intensidad tipo “bushing”  7. Sond Sondaa de Pt: Pt: res resis iste tenc ncia ia calefactora 8. Sond Sondaa de Pt Pt:: resi resist sten encia ciass de medida [email protected]

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2.1 Dispositivos de Protección Mecánicos y Electromecánicos

I1 = Intensidad secundario del TI I2 = Intensidad de paso resistencia calefactora

Sonda de Pt ó Cu detectora de temperatura

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 Actividad 2 De acuerdo a lo estudiado, responda a las siguientes consignas:

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 Actividad 2 De acuerdo a lo estudiado, responda a las siguientes consignas:

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2.2 Dispositivos de protección electrónicos electrónicos

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2.2 Dispositivos de protección electrónicos electrónicos

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2.2 Dispositivos de protección electrónicos electrónicos Estos dispositivos tienen las siguientes características: • Son específicamen específicamente te diseñados diseñados para proteger proteger líneas de transmisió transmisión, n, transformadores y motores. • Cuentan Cuentan con terminales terminales de salida, salida, las cuales generalment generalmentee son conectadas conectadas a las bobinas de disparo de los interruptores de potencia o a una alarma o algún sistema de monitoreo. • Las señales señales que reciben son procesad procesadas as por el dispositivo dispositivo y se determina determina si existe una condición anormal o de falla. • En caso de que exista exista una co condició ndición n anormal anormal o de falla, el disposit dispositivo ivo manda a energizar una salida a una de .disparo o a una alarma. De tal manera quecorrespondiente se comporta como unbobina relevador rele vador. • Su operación operación se realiza realiza en base base a un procesador procesador digit digital, al, su ajuste ajuste se realiza mediante la introducción de parámetros, usando un teclado y un display displa digital digitalde o laoperación conexiónque a una compu tadora, ra,adecuados y con la correcta selección selección de lasycurvas dencomputado los tiempos para una correcta coordinación de las protecciones. [email protected]

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2.2 Dispositivos de protección electrónicos electrónicos EJEMPLO Multilin SR745 En la figura se puede observar lo siguiente: • Las conexiones entre la línea y el MULTILIN mediante transformadores de corriente. Estas sirven para sensar (checar) la corriente en la línea. • La conexión entre un circuito de salida y la bobina de disparo de un interruptor.

Multilin SR745 Entradas para Circuito voltaje y de salida corriente

Lospuerto puntosserie de alimentación para el MULTILIN. •• El para la comunicación entre el MULTILIN y una computadora personal.

Alimentación Tierra Bobina de disparo del interruptor Puerto serie Computadora personal

Curva de daño térmico del transformador tr ansformador   o   p   m   e    i    T

Curva de sobrecorriente temporizada de relés seleccionados Margen de protección térmica del transformador

Corriente de captación de sobrecorriente, Instalación de captación de Instalación basada en la capacidad de carga máxima sobrecorriente ajustada, basada en la capacidad de admisible carga calculada por factor de armónicos

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2.2 Dispositivos de protección electrónicos electrónicos EJEMPLO PANTALLA GRANDE Pantalla de cuarenta caracteres que permite visualizar los valores de consigna y los mensajes de valores reales. Los mensajes de diagnóstico aparecen cuando se presenta un obstáculo o una alarma. Después de un periodo de inactividad, la pantalla muestra mensajes predeterminados.

INDICADORES DE ESTADO 745 •Estado 745; •Estado del transformador; •Relé de salida. TECLADO NUMÉRICO Las teclas numéricas facilitan el ingreso de los valores de consigna. Las teclas de control hacen que sea posible navegar fácilmente por los distintos valores de consigna y estructuras de mensaje de valor reales. La tecla de ayuda proporciona mensajes de ayuda según el contexto. TECLAS DE VALOR Las teclas Subir y Bajar sirven para modificar los valores de consigna. PALANCA DE CONTROL DE EXTRACCIÓN Permite utilizar un alambre para precinto de plomo a fin de evitar que se extraiga sin la autorización correspondiente.

SISTEMA DE PROTECCIÓN DEL

TECLAS DE CONTROL Y

TRANSFORMADOR 745

PROGRAMACIÓN Las teclas Menú, Salir, Restaurar, Intro, Subir menú y Bajar menú brindan pleno acceso sin necesidad de utilizar una computadora.

INTERFAZ DEL PUERTO DEL PROGRAMA RS232 permite conectarse a una computadora, 9600 baudios.

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48

 

 Actividad 3 ACTIVIDAD 3

De acuerdo a lo estudiado, responda a las siguientes consignas:

Enuncie las características principales de los dispositivos mecánicos/electromecánicos y los dispositivos electrónicos en un cuadro comparativo. Mecánicos / Electromecánicos

Electrónicos

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Capítulo 3

Funcionamiento

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3.1 Construcción de un transformador  En la construcción de un transformador existe un método más eficiente, que reduce la fuga o dispersión de líneas de flujo (magnético). El método consiste en colocar los devanados primario y secundario uno sobre otro.

H1 X1

En este caso las terminales H1 y H2 son para el devanado del primario y las terminales del secundario que van a la carga son X1 y X2.

X2 H2

Para la formación de bobinas en los transformadores existen dos métodos: el cilíndrico y el de bobinas planas. Bobina de bajo voltaje Bobina de alto voltaje

Bobina de bajo voltaje

Bobina de alto voltaje Núcleo

Núcleo Vista transversal de un transformador con devanados hechos mediante el método cilíndrico

Vista transversal de un transformador con devanados hechos mediante el método de bobinas planas

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3.2 Principio de funcionamiento   n    ?   u   r   a  o    j   a    d   a    b   m   a   r   r    t   o    f   o   s   n   m   a    ó    C   r    ¿   t

La energía eléctrica de corriente alterna se introduce por la bobina de entrada entrada —o pri primaria— maria— del tran transforma sformador, dor, ahí se convierte en energía magnética. La energía magnética fluye por el núcleo laminado de hierro a la l a salida o bobina secundaria. En la bobina secundaria se convierte de energía magnética a eléctrica por inducción electromagnética.

Siempre se pierde algo de energía en el proceso de transformación. Aumenta voltaje Reduce voltaje U1 = 10000 V TRIFASICO 2 dev I1 = 25 A S1 = 433 = KVA 10000/250 = 40

Disminuye corriente Aumenta corriente U2 = 250 V I2 = 1000 A S2 = 433 KVA I2/I1= 40 I2=25 A x 40 = 1000A

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Transformador trifásico de 3 devanados 1500 KVA

P

2500/ 1500/1000 KVA 13800/ 460/230 V

S

1000 KVA COSF 0,85 IND

T

500 KVA COSF 0,85 IND

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3.2 Principio de funcionamiento Dos bobinas cercanas

Bobina 1

Considere dos bobinas que se encuentran muy cercanas, donde a la bobina 1 se le aplica un voltaje de corriente alterna.

Bobina 2

Producción de un campo magnético variable

Bobina 1

Bobina 2

Campo magnético variable

Bobina 1

Bobina 2

Voltaje inducido en la bobina 2

v

Ésta generará un campo magnético variable.

Si este campo magnético variable interactúa con la bobina 2, en ella se inducirá un voltaje de corriente alterna. Bajo esta condición se tiene un voltaje en la bobina 2, el cual se obtiene entre lassin bobinas, tener conexión ya que entre eléctrica ellas se tiene únicamente un enlace magnético. A este efecto se denomina inducción.

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3.2 Principio de funcionamiento Corriente de magnetización

Campo magnético variable

Si la bobina 2 no tiene carga c arga (su corriente es cero), la corriente en la bobina 1 (corriente de magnetización) es la necesaria para generar el campo magnético. Corriente de magnetización

Bobina 1

Bobina 2

Material ferromagnético Núcleo para producir un campo magnético amplio (robusto)

En el interior de las bobinas se coloca un material ferromagnético para producir un amplio campo magnético que entrelaza ambas bobinas.

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3.2 Principio de funcionamiento

Campo de magnetización

Con este arreglo se obtiene una menor corriente de magnetización que cuando

Campo magnético

V

Núcleo ferromagnético

Menor corriente de

magnetización El núcleo reduce la corriente de magnetización

no se tiene un núcleo de material ferromagnético. Esto se debe a que el material ferromagnético es mejor conductor (menor reluctancia) del campo magnético que el aire.

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 Actividad 4 De acuerdo a lo estudiado, responda a las siguientes consignas:

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 Actividad 4 De acuerdo a lo estudiado, responda a las siguientes consignas:

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Capítulo 4

Pérdidas

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4.1 Pérdidas Las pérdidas en los transformadores pueden clasificarse en dos grupos: Pérdidas

Pérdidas en el cobre

Pérdidas en el núcleo

a. Pérdidas en el cobre Menor sección

Mayor sección

Mayor Temperatura

Mayor pérdida Mayor tamaño Mayor costo Mayor deterioro Mayor costo

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4.1 Pérdidas b. Pérdidas en el núcleo 1

Pérdidas por corrientes parásitas (corrientes de Eddy)

Las corrientes parásitas son aquellas que se generan por inducción en el núcleo de hierro del transformador, transformador, a estas corrientes también se les conoce con el nombre de corrientes de Eddy.

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4.1 Pérdidas b. Pérdidas en el núcleo 2 Pérdidas por histéresis Las pérdidas por histéresis se deben a la agitación magnética de las moléculas en el núcleo y a su resistencia o inercia a ser movidas, lo cual origina la producción de calor por fricción y pérdidas de energía.

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4.1 Pérdidas

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4.1 Pérdidas b. Pérdidas en el núcleo 3

Pérdidas de fuga de flujo magnético

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4.1 Pérdidas 4

Pérdidas por saturación del núcleo

Las pérdidas por saturación ocurren generalmente cuando los transformadores son operados con voltajes mayores a los nominales. Cuando el núcleo no permite más líneas de flujo, se dice que está saturado. Así, cuando se incrementa la corriente no sucede nada o sólo se convierte en un incremento muy reducido de líneas de flujo, aumentando, significativamente, las pérdidas en el cobre Punto de saturación Número de líneas de flujo

Corriente en amperes

Relación entre la corriente y número de líneas de fuerza, mostrando la región de saturación

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4.1 Pérdidas

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 Actividad 5 Indique para cada uno de los tipos de pérdidas en el transformador una acción posible para disminuir la pérdida.

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4.2 Métodos de enfriamiento TIPOS DE ENFRIAMIENTO EN TRANSFORMADORES Designación

Designación

antigua

nueva

OA/FOA

ONAN/OFAO

FOW

OFWF

OA

ONAN

OA/FA

ONAN/ONAF

Altas capacidades

Medianas y bajas capacidades

Descripción Aceite-aire, convección natural, aceiteaire, convección forzada Aceite-agua, convección forzada Aceite-aire, convección natural Aceite-aire, convección natural y convección forzada de aire

¡ATENCIÓN! Para la nueva designación se utiliza un par de grupos de 2 letras donde: • La primer letra determina el material O: Oil (aceite) A: Air  (aire) W: Water (agua). • La segunda letra determina la forma N: Natural, F: Forzada.

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4.2 Métodos de enfriamiento Los transformadores de potencia deagua-aceite alta capacidad frecuentemente equipados con enfriadores del tipo conson circulación forzada.

1. Enfriamiento agua / aceite Este sistema de enfriamiento cuenta con un intercambiador de calor, a través del cual se fuerza el flujo de aguapor y de aceitededel transformador medio una bomba.

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4.2 Métodos de enfriamiento Algunos transformadores requieren radiadores externos, ya que por ejemplo, cuando se tienen transformadores de gran capacidad ( 20 MVA), el aceite no puede transportar el calor tan rápidamente.

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70

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4.2 Métodos de enfriamiento Los transformadores de potencia de alta capacidad frecuentemente equipados con enfriadores del tiposon agua-aceite con circulación forzada.

2. Enfriamiento convección forzada Los transformadores a veces son enfriados con aire forzado hacia arriba desde abajo. El aire circula alrededor del núcleo y los devanados y elimina el exceso de calor por la parte superior

[email protected]

 

 Actividad 6

De acuerdo a lo estudiado en este capítulo sobre las pérdidas, por favor responda a las siguientes consignas:

1

¿Qué significa unade refrigeración un transformador 10 MVA? OFWF? ¿y una ONAN? ¿Cuál utilizaría en

2

Supongamos que usted debe verificar que el transformador de un equipo no recaliente más de lo aaceptable, ceptable, ¿A qué parám parámetros etros cree necesario prestar atención?

71

[email protected]

 

Capítulo 5

Parámetros principales

72

73

 

5.1 Relación entre parámetros principales Transformador de Potencia

TU

kVA 25 Aumento de Temp. 115°C Independencia 2.2% Voltaje Primario 600 Voltaje Secundario 120/240 Hertz 60 Fase simple Tipo Seco Modelo No. XGT Serie No. 101 101 - 1233 WT.LBS.450 X4 PRIMARIO Volts Sobre Líneas H1 & H2 600

H1

H2 X3 X2

X1

SECUNDARIO Sobre Líneas X1 & X4 Volts Conectar 120 240

X1-X3, X2-X4 X2 – X X3 3 UL

Placa de datos de un transformador

Los parámetros principales del transformador se muestran en su placa y permiten asegurar que su aplicación se llevará a cabo en forma adecuada. Se indican las conexiones de los devanados primario y secundario, voltajes de alimentación y salida, impedancia, etc.

[email protected] 74

 

5.1 Relación entre parámetros principales

[email protected]  

5.1 Relación entre parámetros principales Analizaremos los siguientes parámetros de los transformadores: 1

Relación de potencia entre los devanados

La potencia o capacidad de un transformador transformador,, determina el voltaje y la corriente que el transformador es capaz de suministrar a la carga, sin que se presente un sobrecalentamiento. no genera potenciaelectromagnética. eléctrica, simplemente la transfiere o convierteUn detransformador una bobina a otra por inducción Potencia del primario = Potencia del secundario Ip

Is Vp

Bobina Primaria

Vs

Bobina Secundaria

Parámetros para determinación de la potencia

La potencia de los transformadores se especifica en volt-amperes (VA), y es el producto delsus voltaje por la corriente que circula en devanados. VA = Vp * Ip Ip = Vs Vs * Is donde: Vp Vp:: Voltaje bobina del primario Vs Vs:: Voltaje bobina del secundario Ip Ip:: Corriente bobina del primario Is Is:: Corriente bobina del secundario

75

[email protected]

76

 

5.1 Relación entre parámetros principales

EJEMPLO

En el transformador de la figura se aplican 220 VCA en la del primario y seen tiene una corriente nominales debobina 10 amperes, el voltaje la bobina del secundario de 110 VCA. A) Para obtener los volt-amperes del transformador simplemente se multiplica el voltaje y la corriente del devanado primario, así se obtiene la potencia: VA = V Vp p * IIp p=2 220 20 V *1 *10 0 A = 220 2200 0V VA A Cuando la potencia es mayor a 1000 VA se cambian las unidades a kilovolt-amperes (kVA). Así, la potencia del transformador es de 2.2 kVA.

Ip

Is Vp

Bobina primaria Fuente de 220 VCA

Vs Bobina secundaria 110 VCA

Relación de potencia entre devanados

[email protected]

77

 

5.1 Relación entre parámetros principales EJEMPLO B) ¿Qué corriente circula en la bobina del secundario? Utilizando la consideración de cero pérdidas, la potencia en el secundario es igual a la del primario, así: VA = Vp * Ip = Vs * Is Despejando para la corriente del secundario Is, tenemos: Sustituyendo los datos en la ecuación:

 (Vp)(Ip )     Vs  

Is  

 (220 V)(10 V)      20 A   110 V  

Is  

C) Si ahora en la bobina del secundario circularan 2 A, ¿cuál sería la corriente en el primario? Una vez más, considerando la igualdad de potencia entre primario y secundario: VA = Vp*Ip = Vs*Is Despejando para la corriente del primario Ip, tenemos: Sustituyendo los datos en la ecuación, Ip = 1 A

 (Vs)(Is)     Vp  

Ip  

[email protected]

78

 

5.1 Relación entre parámetros principales 2

Razón de transformación

Un parámetro muy importante y ampliamente utilizado es la razón o relación de transformación, que es la relación de espiras entre las bobinas del primario y secundario de un transformador. La razón de transformación generalmente se expresa como una proporción: por ejemplo 15:1, 50:1, 1:25, 1:2. Esta proporción indica una relación de 1:2 porque la bobina del secundario tiene el doble de espiras que la bobina del primario.

Bobina Primaria 900 vueltas

Bobina Secundaria 1800 vueltas 1:2

Relación de transformación

La relación de transformación permite obtener la relación de voltaje y corriente entre los devanados del transformador.

[email protected]

79

 

5.1 Relación entre parámetros principales 3

Relación de voltaje entre devanados

La relación de transformación o relación de espiras define cuánto va a ser el voltaje en el secundario cuando se la aplica un voltaje en el primario. En el transformador, transformador, el voltaje por espira es constante tanto en primario como en el secundario, así, el devanado que tenga más espiras será el que presente un voltaje más alto en sus terminales La relación entre el voltaje del primario, el voltaje en el secundario y el número de espiras en cada devanado se determina con la siguiente ecuación: elevador Voltaje en elTransformador secundario > Voltaje en el primario Bobina Bobina Primari Secundari a 900 a 1800 vueltas vueltas Vp = 120 VCA 1:2 Transformador elevador Vs = 240 VCA

   Vp      Vs   Np   Ns 

donde: Vp: Vp: Voltaje en el primario Vs Vs: Np: Np:: Número Voltaje Voltaje del de secundario espiras del primario Ns: Ns: Número de espiras del secundario

[email protected]

80

 

5.1 Relación entre parámetros principales EJEMPLO Considere un transformador con 50 espiras en la bobina del primario y 1000 espiras en la bobina del secundario, si se aplica un voltaje de 110 VCA a la bobina del primario ¿Qué voltaje se tendrá en terminales de la bobina del secundario? Sustituyendo los valores en la ecuación: En este caso se tiene un transformador elevador

4

Bobina primari a 50 vueltas

Bobina secundaria 1000 vueltas

Vp = 110 VCA Cálculo de voltaje en el secundario

Relación de corriente entre devanados

Así, la bobina que tiene más voltaje, tiene mayor número de espiras y por consiguiente tendrá una corriente más baja. En forma similar similar,, la bobina de voltaje más bajo, con menor número de espiras, tendrá la corriente más alta. La relación entre el número de espiras y la corriente en las bobinas es: Ip * Np = Is * Ns

donde: Ip Ip:: Corriente en la bobina del primario Is Is:: Corriente en la bobina del secundario Np: Np: Número de espiras del primario

Ns: Número de espiras del secundario Ns: [email protected]

81

 

5.1 Relación entre parámetros principales EJEMPLO Considere un transformador con 500 espiras en la bobina del primario, donde se le aplican 110 VCA. Se tiene también un devanado secundario con 1000 espiras que al conectarse a la carga, circula una corriente de 1 A. Ip = ?

A) ¿Cuál primario? es la corriente en la bobina del Is Np De la ecuación:        

 Ip 

 Ns 

 Ns  Ip  Is  Despejando:  Np 

Bobina Primaria 500 vueltas Vp = 110 VCA

1A Bobina Secundaria 1000 vueltas 1:2 Vs = ?

Cálculo de corriente y voltaje

 1000     2 A   500  

Sustituyendo:Ip  (1 A) 

B) ¿Cuál es el voltaje en la bobina del secundario?  Vp   Np       Vs   Ns 

[email protected]  

5.1 Relación entre parámetros principales

EJEMPLO Despejando: Sustituyendo:

 Np    Ns 

Vs  (Vp)

 1000   Vs  (110 V)     500    220 VCA

C) Con los valores obtenidos, verificar que la potencia en el primario sea igual a la del secundario. Usando la ecuación de potencia: P= VI Para el Primario : Pp=(110VCA)(2)= 220VA Para el Secundario: Ps=(220VCA)(1ª)= 220VCA El transformador tiene una potencia de 220 VA. Los resultados son correctos pues la potencia del primario es igual a la del secundario.

82

[email protected]  

5.1 Relación entre parámetros principales Propósito de la prueba de rela lacción de espira iras: Identificar la existencia de lo siguiente: 

- cualqu cualquier ier espira espira en cortocircuito, - cualqu cualquier ier es espir piraa abierta abierta en el el devanado de HV. 



Proporciona en caso de fallainformación de aislamiento entre espiras. Ayuda a identificar el grupo vectorial del transformador.

83

[email protected]  

5.1 Relación entre parámetros principales 



Instrumentos necesarios para la prueba: Fuente de tensión CA y entrada de medición de tensión, como STS 5000

84

[email protected]  

5.1 Relación entre parámetros principales Antes de la prueba: Es necesario saber lo siguiente: • Tipo Tipo de tr trans ansform formado adorr

• Número Número d dee de devan vanado adoss • Fases •

Tensión aplicada: o

no debe exceder la tensión nominal del transformador

siempre hacia el lado de alta tensión del transformador Tensión medida: o

•

o

no debe exceder la entrada de medición del voltímetro.

•

Relación de espiras

•

debe medirse en todas las tomas.

85

[email protected]  

Relación de transformación Pruebas en un transformador de una sola fase

86

87

 

Relación de transformación Mneadiscoiólan fadsee.relación en un transformador de u Salida de 2 kV

Entrada de medición

88

 

Relación de transformación Medición de relación en un transformador de una sola fase.

89

 

Relación de transformación Diagrama de relación de espiras del transformador toma wrt Relación de Espiras 3.4 3.2   n    ó 3    i   c   a    l   e    R2.8

2.6 2.4

0

2

4

6 Toma

8

10

12

90

 

Relación de transformación Relación del de tres transformador fases. 



El transformador de tres fases consta de tres grupos de devanados primarios, uno para cada fase; Tres grupos de devanados secundarios enrollados en el mismo núcleo de hierro.

91

 

Relación de transformación Transformador de tres fases de 220kV

92

 

Relación de transformación Conexión en transformador de 3 fases 



Grupo vectorial El grupo vectorial del transformador es una propiedad esencial para el éxito de la operación en paralelo de los transformadores. Por ejemplo: Dyn11 • • •



"D" indica el devanado en delta del primario. "Yn" indica el devanado en estrella con el neutro del secundario "11" indica la diferencia de ángulo de fase entre los devanados, con el devanado de alta tensión como referencia. El número se da en unidades de 30 grados. Selección de fase en el caso de que la medición de fase a fase es muy crítica.

93

 

Relación de transformación Grupos vectori ria ales del tra ran nsform rma ador Cambio de fase (Deg)

Conexión

0 30 lag 60 lag 120 lag 150 lag 180 lag 150 plomo 120 plomo

Yy0 Yd1

6 pllo om mo o 30 0p

Yd11

Yd5 Yy 6 Yd7

Dd0 Dy1 Dd2 Dd4 Dy5 Dd6 Dy7 Dd8

Dz0 Yz 1 Dz2 Dz4 Yz 5 Dz6 Yz 7 Dz8

D 11 0 Dd y1

D Yzz1110

94

 

Relación de transformación Prueba relación del transformador en un grupo de vectoresdeYNyn0

95

 

Relación de transformación Prueba relación del transformador en un grupo de vectoresdeYNd11 R  r y B

Y

b

96

 

Relación de transformación Prueba de relación del transformador con caja de conmutación • •

•

Conexión de una sola vez Control automático del conmutador bajo carga Realizar la prueba de acuerdo con el grupo vector mencionado

97

 

Relación de transformación Resultado de la prueba de relación en transformador de 400 kV

98

 

Relación de transformación Toma 1

Toma 2

. . .Toma

17

99

 

mpedancia a 5.2 IImpedanci

Impedancia

se define como la oposición total del transformador al flujo de corriente. En el devanado de un transformador la impedancia depende del calibre del conductor y de su número de vueltas. En ambientes industriales, aun cuando el devanado primario y el secundario tienen cada uno una impedancia característica,

se considera a la impedancia del transformador como una impedancia equivalente, donde se agrupan las características de ambos devanados del transformador transformador..

Cálculo de la impedancia

Ip nominal Vp

 Vpcc  Ze%      Vp  (100 )

Corto circuito donde: Bobina secundaria Bobina primaria

Determinación de impedancia del transformador

Vpcc: Vpcc: Voltaje en el primario con el secundario corto del primario Vp Vp:: Voltajeennominal Ze%:: Impedancia equivalente en Ze% porcentaje

[email protected]

100

 

5.2 Impedanci a Impedancia EJEMPLO Se tienen dos transformadores con los siguientes datos de placa: Transformador 1 Potencia: 200 kVA Impedancia del 2%

Vp: 13,800 V Vs: 440 V

Transformador 2 Potencia: 200 kVA Impedancia del 0.2%

Vp: 13,800 V Vs: 440 V

¿Cuál es el voltaje del secundario de estos transformadores cuando se encuentran operando a su capacidad nominal? Para el transformador 1 se tiene una caída de voltaje de: (440 VCA)(2 %) (440 VCA)(0 .02 )   8 .8 VCA 100 % 1

Para obtener el voltaje real en el secundario se resta voltaje obtenido al voltaje nominal. 440 VCA 8  .8 VCA 431 .2 VCA

Para el transformador 2 se tiene una caída de voltaje de: (440 VCA)(0 .2 %)



(440 VCA)(0 .002 )

 0 .88 VCA

100 %

1

[email protected]  

mpedancia a 5.2 IImpedanci EJEMPLO De igual forma, se resta voltaje obtenido al voltaje nominal. 440 VCA 0 .88 VCA 439 .12 VCA

En base al ejemplo, se concluye que el transformador que tiene mayor impedancia tiene una mayor caída de voltaje en el secundario cuando está a la carga nominal. nominal.

101

[email protected]

102

 

5.3 Caso práctico: especificaciones en la placa 1 TU

3 4 5

Transformador de Potencia 16

kVA 25 Aumento de T Temp. emp. 115°C Independencia 2.2% Voltaje Primario 600

6 8 7

Voltaje Secundario 120/240

Hertz 60 Fase simple Modelo No. XGT

9 10 11 12 2

Serie N Serie No. o. 1 101 01 - 123 1233 3 WT.LBS.450 PRIMARIO Volts Sobre Líneas H1 & H2 600

X4

H1

Tipo Seco

X3 X2

H2

14 X1

SECUNDARIO Sobre Líneas X1 & X4 Volts Conectar X1-X3, X2-X4 120 240 X2 – X3 X3

Transformadores Unlimited, Chicago, IL Made in XXX

15

UL

13 17

Placa típica de un transformador de potencia

[email protected]  

5.3 Caso práctico: especificaciones en la placa #

Referencia

1

No Nomb mbre re de dell fab fabri rica cant ntee y ti tipo po de tr tran ansf sfor orma mado dorr ((en en es este te ca caso so de pote potenc ncia ia). ).

2

Lug Lugar do dond ndee ssee ffab abri ricó có el tr tran ansf sfor orma mado dorr y ssee lloc ocal aliz izaa la la ccom ompa pañí ñíaa.

3

4

Especifica la potencia del transformador en kVA. La cantidad de corriente en el secundario se calcula dividiendo los volt-amperes por el voltaje del secundario Is=KVA/Vs. Incremento de temperatura permitido en los devanados. Este valor usualmente se basa una temperatura ambiente de 40 grados ce ntígrados (104 centígrados °F). La suma depara la temperatura ambiente y el incremento de temperatura da como resultado la temperatura máxima de operación. En este caso, una temperatura ambiente de 40 °C y un incremento de 115 °C (239 °F), dando como resultado un valor de temperatura máxima de 155 °C (311 °F). El valor de la temperatura máxima de operación de un transformador depende del tipo de aislamiento con que cuenten los devanados, ya que cada tipo de aislamiento soporta una máxima temperatura sin sufrir deterioro.

103

[email protected]  

5.3 Caso práctico: especificaciones en la placa # 5

Referencia Es el voltaje nominal p paara la bobina del primario.

6 7

Es eell vo voltaje nominal p paara llaa bo bobina d deel sseecundario rio. Es el número de fases del transformador. transformador. Este valor es uno si el transformador es monofásico o tres si el transformador es trifásico. Es la frec recuencia a la que o op pera el ttrransfo sformador.

8 9 10 11 12 13 14 15 16

Número de modelo, número de serie y peso del transformador. transformador. El modelo normalmente está dado en forma de código y depende del fabricante. Dan información acerca de las posibles conexiones de los devanados del primario y secundario. (Ver ejemplo Posibles conexiones de los devanados del primario y secundario. Diagrama esquemático del transformador que sirve como referencia para el técnico de instalación. Define el tipo de transformador transformador.. En este caso es del tipo seco, también puede ser en aceite (se especifica el tipo de aceite y la cantidad de aceite que necesita el transformador). Es la impedancia equivalente del transformador transformador.. Este valor se expresa en porcentaje.

104

17

Se rreefiere a una n nor orm ma q qu ue d deepende d dee ccaada país. [email protected]

 

5.3 Caso práctico: especificaciones en la placa Otra información que suele aparecer en la placa del transformador es lo relacionado con sus TAPs o derivaciones. La función del TAP es permitir seleccionar (agregando o quitando) las vueltas de la bobina del primario.. Con esto se logra alterar la primario relación de espiras transformación y sela puede compensar (eno un limitado rango) variación que se tiene en el voltaje de alimentación del transformador. Enecuación: caso que la indicación sea un porcentaje, para seleccionar el TAP adecuado se usa la

  Vf   (100 )

%   

 Vp 

donde: Vf : Voltaje de la fuente (a aplicar en el primario) en volts. Vp: Vp:primario. Voltaje nominal o de placa de la bobina del %: Porcentaje de variación respecto al

105

voltaje del primario. [email protected]

106

 

5.3 Caso práctico: especificaciones en la placa EJEMPLO Sea un transformador cuyos datos de placa son: so n: Potencia: 25 kVA Voltaje del primario: 600 V Voltaje del secundario: 120 V Impedancia del 2%

% Alto voltaje

Indi cado cadorr del TA TAP P Posición

Conectar 

100.0

1

4a5

97.5

2

3a5

95.0

3

3a6

92.5

4

2a6

90.0

5

2a7

Indicación de los TAPs

El transformador es alimentado por un suministro cuyo voltaje es: Vf=570 VCA Dado que el porcentaje de variación del voltaje de la fuente respecto al primario se determina mediante la ecuación:   Vf   El indicador de TAPs se deberá %    (100 ) colocar en la posición 3 o bien, Vp     conectar el terminal 3 con el  570  

Se tiene que:%    600  (100 )  95 %

terminal 6.

[email protected]

107

 

5.3 Caso práctico: especificaciones en la placa EJEMPLO Posibles conexiones de los devanados del primario y secundario.

Primario Sobre Volts líneas 600 H1 & H2

Secundario Sobre líneas X1 & X2 Volts Conectar X1-X3, 120 X2-X4 240 X2-X3

En el caso del ejemplo: • Las terminales H1 y H2 son para el devanado del primario y su alimentación es de 600 V. • Las terminales del secundario que van a la carga son X1 y X4, el devanado del secundario puede operar en dos voltajes de 120 V y/o 240 V V..

Si se requieren únicamente 120 V se unen las terminales X1 con X3 y X2 con X4.

Conexión de secundarios para 120 VCA

[email protected]  

5.3 Caso práctico: especificaciones en la placa EJEMPLO

Si se necesitan únicamente 240 V se unen las terminales X2 y X3 y las terminales X1 y X4 se conectan a la carga.

Conexión de secundarios para 240 VCA

Si se requiere tener ambos voltajes se une X2 con X3, así tenemos 240 V entre X1 y X4, 120V entre X1 y la unión entre X2, X3 o X4 y la unión X2 y X3. Conexión de secundarios para 120 y 240 VCA

108

[email protected]  

 Actividad 7 Para finalizar el presente capítulo, le proponemos una última actividad con el fin de aplicar lo aprendido

Resuelva el siguiente ejercicio:

109

[email protected]  

 Actividad 7

Resuelva el siguiente ejercicio:

110

[email protected]  

Capítulo 6

Características Caract erísticas principales

111

112

 

6.1 Sistemas monofásicos y trifásicos Existen otros casos en donde las características de las cargas requieren de un sistema de alimentación trifásico. Estos tipos de sistemas emplean tres cables conductores que llevan energía hacia la carga y que, además, no cuentan con cable de retorno.

Existen algunas cargas que, por sus características, requieren de un sistema de alimentación monofásico, éste es el caso de algunos de los sistemas de alimentación de uso doméstico. RECUERDE

La expresión fase eléctrica se refiere a un solo conductor en un circuito múltiple de conductores. [email protected]

113

 

6.2 Conexiones Para tener un determinado voltaje o rango de corriente se debe conocer el tipo de conexión que hay que realizar en las bobinas del transformador transformador.. Conexión

Delta – Delta D-D

Delta – Estrella D-Y

Uso Esta conexión se utiliza en transformadores trifásicos. Esta conexión es empleada para alimentarlo tensiones bajas ycon poder así obtener tensiones altas de distribución. Tiene un solo rango de voltaje ya que no tiene hilo de derivación. Se aplica con gran frecuencia en la industria debido a que la estrella en el secundario presenta dos rangos de voltajes y con esto se puede alimentar a diferentes maquinarias. Es muy utilizado como transformador distribución reductor de y en las subestaciones elevadoras de

Diagrama

Con Conexi exión ón Delta Delta - Del Delta ta

Conexión Delta-Estrella

voltaje.

[email protected]

114

 

6.2 Conexiones Conexión

Estrella – Estrella Y-Y

Estrella – Delta Y-D

Uso Es empleada tensiones muy elevadaspara ya que reduce la cantidad de aislamiento. Posee un hilo de derivación para tener dos rangos de voltajes. Una de las desventajas que tiene es que se presentan armónicas con facilidad. Se utiliza como receptora en los sistemas que contienen subestaciones y cuyo objetivo es reducir el voltaje.

Diagrama

Conexión Estrella-Estrella

Conexión Estrella-Delta

¡ATENCIÓN! Es posible conectar tres transformadores monofásicos con el objetivo de formar un banco de transformador trifásico de cualquiera de los cuatro tipos.

[email protected]  

6.2 Conexiones Conexión ión Delta Delta abiert abiertaa – Delta abiert abiertaa Conex La conexión Delta-Delta presenta la ventaja de poder eliminar un transformador para reparación o mantenimiento, mantenimiento, mientras que los otros dos restantes continúan funcionando como un banco trifásico con una capacidad reducida a 58% con respecto al banco original. EJEMPLO La conexión se origina con los 3 transformadores monofásicos funcionando. Conexi Conexión ón Delta Delta – Delta

Uno de los transformadores sale de línea.

115

Conexión Delta abierta Conexión abierta – Delta abierta abierta

[email protected]  

6.3 Polaridad Cuando las corrientes circulan en sentido contrario en ambos embobinados, su acción

Cuando el efecto electromagnético de las

electromagnética se contrarresta, se trata de un…

corrientes se suman se trata de un…

TRANSFORMADOR DE POLARIDAD SUSTRACTIVA

TRANSFORMADOR DE POLARIDAD ADITIVA

¿Cómo determinar la polaridad? 1

2

Conectar un extremo del devanado de alto voltaje con un extremo del devanado de bajo voltaje. Conectar un voltímetro entre ambos extremos abiertos. El voltímetro tiene que poder medir hasta la suma de la tensión del primario más la del secundario.

3 Aplicar un voltaje no mayor que el voltaje permitido del devanado, ya sea el

Conexiones para la prueba de polaridad

116

devanado de alto voltaje o el de bajo voltaje como se muestra en la figura.

[email protected]  

6.3 Polaridad

117

[email protected]  

 Actividad 8 Para finalizar el presente capítulo, le proponemos una última actividad con el fin de aplicar lo aprendido

Una con flechas los distintos tipos de conexión:

118

[email protected]  

 Actividad 8

119

[email protected]  

 Actividad 9 Responda a las siguientes preguntas:

120

[email protected]  

 Actividad 9 Responda a las siguientes preguntas:

121

[email protected]  

Capítulo 7

Tipos de tra transformadores nsformadores

122

123

 

7.1 Clasificación de los transformadores Los transformadores principales o básicos son: • Transformadores con derivaciones o TAPs • Autotransformadores • Transformadores para instrumentos

• Transformadores Buck-Boost • Transformadores de control • Transformadores de distribución

Los transformadores también se pueden clasificar de acuerdo a sus características: Por la construcción de su núcleo

Por el Sistema de Alimentación

Por su polaridad

Aislamiento Aisla miento - Refrig Refrigeració eración n

Por su utilización

Localización

Por su potencia

[email protected]  

7.2 Transformadores con derivaciones o TAPs

Con frecuencia se extraen conexiones en partes intermedias de los devanados primario y/o secundario del transformador, estas conexiones salen del devanado y se conectan a una tablilla o borne de conexiones. Las opciones de conexión que ofrece el TAP permiten modificar el número de espiras a utilizar. Esto, como hemos visto antes en este curso, modifica la relación de transformación del transformador y así su voltaje de salida.

124

[email protected]

125

 

7.2 Transformadores con derivaciones o TAPs Para cambiar de derivación, hay que proceder así: 1. Descon Desconect ectar ar el trans transfor formad mador or de de llas as líneas líneas de alimentación, 2. Hacer Hacer el camb cambio io de de deri riva vaci cione ones, s, 3. Ener Energiz gizar ar el tr tran ansf sform ormad ador or nue nueva vame ment nte. e. 4. primario El inter interrup ruptor tor in insta stalad lado o en las las lílínea neass de aalim liment entaci ación ón al facilita y proporciona seguridad a esta operación.

Un método práctico y seguro para cambiar cambia r lasmás conexiones conexion es de los TAPs los es utilizando un selector cambiador de derivaciones (TAPs).

[email protected]

126

 

Si se usa un selector cambiador de derivaciones, el mecanismo permite operar el 7.2 Transformadores con derivaciones o TAPs selector sin necesidad de abrir el tanque. Sin embargo, sigue siendo requisito desenergizar desener gizar el transf transformado ormadorr antes de cambiar de deriv derivacione aciones. s.

Físicamente el selector se monta sobre un

Se opera desde la parte de afuera del tanque

Se opera desde la parte de afuera del tanque

bloque de terminales, generalmente

mediante palanca eje, el cualuna acciona al o

mediante palanca eje, el cualuna acciona al o

localizado en la parte superior del núcleo del transformador.

selector desde la cubierta o tapa del tanque del transformador.

selector desde la cubierta o tapa del tanque del transformador.

[email protected]  

7.2 Transformadores con derivaciones o TAPs

127

[email protected]  

7.2 Transformadores con derivaciones o TAPs

128

[email protected]  

Falla en el conmutador de tomas ¿Porqu ¿Porqué é pudo ocurrir ocurrir este evento en elconmutador elconmutador de tomas : falla o defecto de mantenimiento

129

[email protected]

 

Conmutador de tomas El Arco Eléctrico Ocasiona: • •

Desgaste del Contacto Carbonización del Aceite

130

[email protected]

 

Conmutador de tomas ¿Por qué hacer el mantenimiento del Cambiador de Tomas? •

El tiempo de conmutación en la operación con carga es del orden de 40 – 50 ms. El Estrés Mecánico Afecta:

Resortes

Trenza

131

Acumulador de Energía, etc. 132

[email protected]

 

Conmutador de tomas

Cantidad de Operación

Numero de Serie

Cambiadores bajo licencia

[email protected]

Date: 20/10/2004

 

Conmutador de tomas Se recomienda verificar todas las funciones del accionamiento a motor : • Llaves de seguridad • Llaves limites • Funciones paso • Dispositivos

a paso anticondensación

• etc.

133

[email protected]

Date: 20/10/2004

 

7.3 Autotransformadores El autotransformador difiere del transformador en que sólo tiene un devanado. En este devanado, una parte sirve tanto para el primario como para el secundario.

En el autotransformador, la relación del voltaje, como en un transformador, es igual a la relación entre las espiras del primario y las del secundario (NP /NS ). Si se desprecia la corriente de excitación, las espiras por ampere del primario un autotransformador ecuación ydedel la secundario relación de en transformación o vueltas son (EP iguales. /ES = N Así, P /NlaS)

134

también se aplica a los autotransformadores.

[email protected]

135

 

7.3 Autotransformadores Ventajas 

Operan únicamente con un devanado, requieren, POR LO

Desventajas 

TANTO, y porque lo tanto sonmenos menoscobre costosos los transformadores. 

Operan con mayor eficiencia y

TANTO, y porque lo tanto sonmenos menoscobre costosos los transformadores. 

son en tamaño de físicomás quepequeños los transformadores igual capacidad (kVA´s). 

Adicionalmente presentan menores niveles de ruido para el

Operan únicamente con un devanado, requieren, POR LO

Operan con mayor eficiencia y son en tamaño de físicomás quepequeños los transformadores igual capacidad (kVA´s).



Adicionalmente presentan menores niveles de ruido para el

caso de misma carga y frecuencia.

caso de misma carga y frecuencia. [email protected]

 

7.3 Autotransformadores Aplicaciones • Reducir el voltaje, durante el período de arranque, en motores de CA. • Compensar pequeñas caídas de voltaje en líneas de suministro eléctrico. • Producir pequeños cambios de la amplitud del voltaje por requerimiento de carga. • Adaptar el voltaje de alimentación de equipos especiales a voltajes de suministro • estándar (por ejemplo: 440 a 380 VCA, 230 a 208 VCA, etc.). • Equipos de potencia limitada con requerimientos de salida de voltaje variable (VARIAC s).  

136

[email protected]  

7.4 Transformadores para instrumentos La principal función del transformador para instrumento es aislar al instrumento o relevador del alto voltaje. Además hace posible estandarizar las señales para la mayoría de los instrumentos eléctricos y en esta forma operar en valores bajos de voltaje y corriente, como 120V y 5A. Los transformadores para instrumentos se dividen en:

Transformador de potencial (TP)

Transformador de corriente (TC)

137

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7.4 Transformadores para instrumentos Transformador de potencial están diseñados para hacer grandes cambios de tensión, tanto de alta como de baja. Por lo tanto, este tipo de transformadores maneja un potencial de voltaje muy yalto también es denominado alta tensión susque voltajes pueden variar de acuerdo a las necesidades.

Los transformadores de potencial, debido a su uso, tienen una razón de transformación o voltaje muy precisa. El porcentaje de error en un transformador de potencial, dependerá de la aplicación. En la

138

mayoría, el porcentaje de error es menor al 0.5%

Transformadores de Potencial

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7.4 Transformadores para instrumentos Transf Tra nsform ormado adorr poten potencia ciall capaci capacitiv tivo o Tra Transf nsform ormado adorr poten potencia ciall induct inductivo ivo

139

[email protected]

140

 

7.4 Transformadores para instrumentos Transformador potencial capacitivo 1.

Transformador de media tensión (EMU): con reactor de compensación

2.

D evanado primde ariomedia de l transformador tensión

3.

Reactor de

4.

compensación Devanados de ajuste

5.

Devanados secundarios

6.

C ircurtigua itoguamie demiento amorti amo nto de

ferrorresonancia

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7.4 Transformadores para instrumentos

141

[email protected]  

7.4 Transformadores instrumentos Transfo Tra nsforma rmador dor de poten potencia cialpara l - Nor Normas mas • IEEE C57.13-201 C57.13-2016: 6: IEEE Standard Standard Requirement Requirements s for Instrument Instrument Transformers. • IEEE C57.13.5-2 C57.13.5-2019 019 - IEEE Standard Standard of Pe Perfor rformance mance and Test Test Requir Requirements ements for Instrument Transformers of a Nominal System Voltage of 115 kV and  Above • IEC 6186961869-1: 1: 2007: 2007: Part Part 1: Gener General al Requirem Requirements ents • IE IEC C 6186 618699-3: 3: 201 2011: 1: P Par artt 3: Add Addit itio iona nall Requ Requir irem emen ents ts fo forr In Indu duct ctiv ive e Volt Voltag age e Transformers • IE IEC C 6186 618699-4: 4:20 2013 13 Pa Part rt 4: Ad Addi ditio tiona nall requ requir irem emen ents ts for for comb combine ined d Tr Tran ansf sfor orme mers rs.. • Transformers. IE IEC C 618 61869 69-5 -5:2 :201 011 1P Par artt 5: Ad Addi diti tion onal al requ requir irem emen ents ts fo forr capa capaci cito torr volt voltag age e

142

[email protected]

 

instrumentos 7.4 Transformadores Transfo Tra nsforma rmador dor de potenci potencial alpara - con conexi exión ón

143

[email protected]

 

Placa Transformadores de Voltaje

144

[email protected]

 

Placa Transformadores de Voltaje

145

[email protected]

 

7.4 Transformadores para instrumentos EJEMPLO

Como ejemplo, se utilizará un transformador de potencial que se utiliza para reducir el voltaje de una línea de alta tensión de 2,400 volts a 120 volts (relación 20 a 1). Se conecta un voltímetro al devanado de secundario o de bajo voltaje 120 volts. La lectura que se lea en el voltímetro se multiplica por 20 para obtener el voltaje en alta tensión. Si existiera un error del 4% en la relación de transformación o voltaje, el voltímetro indicaría 115.2 volts, así 20 x 115.2 = 2,304 volts, (produciendo un resultado con un error de 96 volts) cuando en realidad se tiene 2400 volts.

146

147

 

7.4 Transformadores para instrumentos Transformador de corriente

El transformador de corriente (TC), como el que se muestra en la figura, el devanado primario consiste de una o más espiras de alambre grueso enrollado en un núcleo de hierro/acero y conectado en serie con la

línea donde se desea medir la corriente.

148

 

7.4 Transformadores para instrumentos Transfo Tra nsforma rmador dor de de corrie corriente nte - Nor Normas mas

• IEEE Std. C57.13-2008 IEEE Standard Stan dard Requ Requirem irements ents for  Instrument Instrume nt Tran Transform sformers ers

• IEEE Std. C57.13.6-2005 IEEE Standard for High Accuracy Instrument Transformers

149

 

7.4 Transformadores para instrumentos • IEC 6186961869-1:2 1:2007 007 Ins Instru trumen mentt tr tran ansf sfor orme mers rs - Part Part 1: Ge Gene nera rall requirements

• IE IEC C 6186 618699-2: 2:20 2012 12 Inst Instru rume ment nt tr tran ansf sfor orme mers rs - Part Part 2: A Add ddit itio iona nall requ requir irem emen ents ts for for curr curren entt Transformers

• IEC 6186961869-4:2 4:2013 013 Ins Instru trumen mentt tr tran ansf sfor orme mers rs - Part Part 4: A Add ddit itio iona nall

requ requir irem emen ents ts for for comb combin ined ed transformers 150

 

7.4 Transformadores para instrumentos

151

[email protected]

 

7.4 Transformadores para instrumentos Los tipos de transformadores de corriente son: 1

Tipo primario devanado

2

Tipo barra

3

Tipo toroidal (ventana)

4

Tipo para bornes

Para especificar completamente un transformador de corriente para el servicio de protección, se debe designar por su clase de precisión, tipo y tensión máxima secundaria. Estos valores definen completamente

EJEMPLO Un transformador de corriente 2.5H800, indica un transformador con clase de precisión de 2.5%, clase de funcionamiento H y tensión máxima secundaria en bornes

su comportamiento.

secundarios de 800 V.

152

 

7.4 Transformadores para instrumentos

153

 

7.5 Tra Transf nsform ormado adorr BuckBuck- Boo Boost st Definición Un transformador Buck-Boost es un transformador con dos devanados en donde ambos se conectan para operar como un autotransformador. El transformador Buck-Boost se utiliza para incrementar o disminuir el voltaje de alimentación en pequeñas cantidades.

EJEMPLO

Diagrama esquemático de un transform tra nsformador ador Buck - Boost

El transformad transformador or Buck Boost se pue puede de utiliza utilizarr para increm incrementar entar el voltaje de 208 volts a 240 volts. Otros cambios de voltaje comunes son de 440 volts a 480 volts y viceversa y de 240 volts a 277 volts.

154

 

7.6 Transformadores de control Definición Un transformador de control es un transformador de dos devanados que provee una fuente de bajo voltaje para circuitos de control (generalmente 120VCA). Los transformadores de control se utilizan en instalaciones industriales para proporcionar voltaje a los circuitos de control tales como relevación, fuentes de poder, bobinas de arrancadores y controladores de motores.

Los niveles de suministro de voltaje

Transformador de control de derivaciones (TAPs) en el primario para conexión a varios niveles de voltaje

más comunesson (en208, instalaciones industriales) 240, 277, 480 y 575 volts.

155

 

7.6 Transformadores de control EJEMPLO

En la figura se muestra un transformador con dos devanados en el primario, lo cual permite operarlo tanto con un voltaje de alimentación de 240 volts (en caso de conectarse en paralelo) como de 480 volts (conectándose en serie).

Transformador de control con dos devanados de 240 volts, que al ser conectados en serie permiten un

voltaje de alimentación de 480 volts.

156

 

7.7 Transformadores de distribució distribución n Definición Entransformadores esta clasificaciónque se manejan engloban voltajes a los de media y baja tensión. Sus rangos de operación están entre 34.5 kV como máximo y desde ese voltaje hasta voltajes comerciales y residenciales. Este tipo de transformadores son utilizados para reducir o aumentar voltajes y corrientes para poder utilizar la energía después de que se hizo la generación y la potencia de la energía eléctrica. Los transformadores de distribución son de dos tipos:

Tipo poste Tipo pedestal o estante 157

 

7.8 Transformadores según su núcleo En relación con el tipo de núcleo, existen dos tipos de transformadores:

Tipo núcleo (core) Si el núcleo tiene forma de rectángulo, como se muestra en la figura, con la bobina del primario enrollado a un extremos y la bobina del secundario en el otro, se le llama transformador tipo núcleo (core).

Tipo acorazado (shell) Si el núcleo forma una figura de un ocho rectangular, como se muestra en la figura, con las bobinas del primario y secundario enrolladas en forma concéntrica, es decir, que comparten el mismo centro, sobre la rama del medio se le denomina transformador acorazado (shell).

158

 

Capítulo 8

Análisis de circuitos

159

 

8.1 Circuitos equivalentes Los principales detalles que deben tenerse en cuenta para la construcción de un modelo que refleje el comportamiento de un transformador son: Pérdida • Pér Pérdid didas as (F (FR) R) en eell cob cobre re Pérdid Pérdidas as por de corrien corrientes tes parásit arásitas as •• Pér Pérdid didas as hi histé stéres resis is p • Flu Flujo jo d dee d disp ispers ersión ión El modelo que representa estas pérdidas es:

Circuito equivalente del transformador referido a su lado primario Para analizar circuitos prácticos que contengan transformadores, normalmente es necesario convertir el circuito entero en un circuito equivalente, con un nivel de voltaje único. 160

 

8.1 Circuitos equivalentes Circuitos equivalentes aproximados de un transformador Se puede producir un circuito equivalente simplificado que trabaje casi tan bien como el modelo original. La rama de excitación simplemente se mueve hacia la entrada del transformador y las impedancias primaria y secundaria se dejan en serie entre sí. Estas impedancias sólo se adicionan, creando los circuitos equivalentes aproximados, como se

Figura a: Reqp = Rp + a2Rs Xeqp = Xp + a2Xs

Figura b: Re Reqs qs = Rp/ Rp/a a2 + Rs Xeqs Xeqs = Xp/ Xp/a a2 + Xs

ve en las figuras a ysiguientes b.

Figura c

Figura d

En algunas aplicaciones, la rama de excitación puede desecharse totalmente sin causar ningún error serio. En estos casos, el circuito equivalente del transformador se reduce a los circuitos sencillos de las figuras c y d. 161

 

8.2 Diagrama Fasorial Para obtener la regulación de voltaje en un transformador se requiere entender las caídas de voltaje que se produce producen n en su interior. interior. La forma más fácil de determinar el efecto de la impedancia y de los ángulos de fase de la corriente circulante en la regulación de voltaje del transformador es analizar el Diagrama Fasorial, Fasorial, el cual constituye un esquema de los voltajes y corrientes fasoriales del transformador transformador.. En los los siguientes diagramas, diagramas, el vvoltaje oltajesefasorial VS se supone un ángulo de 0° y todos demás voltajes y corrientes comparan con dicha con suposición. Si se aplica la ley de voltajes de Kirchhoff al circuito equivalente de la primer figura, el voltaje primario se halla: Vp/a = Vs + Reqs*Is+ j Xeqs*Is Un diagrama fasorial de un transformador es una representación visual la ecuación anterior.

162

 

8.3 Ensayos de transformadores trifásicos Ensayo en vacío Se utiliza para encontrar las pérdidas en el hierro en un transformador. transformador. Podemos obtener: •transformación La rela relaci ción ón de

Diagrama de ensayo en vacío

•enLa Las p pér érdi dida dass els hierro • El fa fact ctor or de potencia

E1 V1 mE   2  V2

W   P1  PFc

cos 1 

P1 V1  I1

Circuito equivalente

• La iimp mped edan anci ciaa equivalente Zo

Z0  

V1 I0

163

 

8.3 Ensayos de transformadores trifásicos Ensayo en corto circuito Se utiliza para encontrar las pérdidas en el cobre en un transformador transformador.. Podemos obtener:

Medición en el ensayo en cortocircuito

•corto La pote po tenc ncia ia d dee circuito

WP   cc  PCu

• El fa fact ctor or de potencia en cortocircuito

cos cc 

• La iimp mped edan anci ciaa equivalente de cortocircuito

Zcc  

PCu Vcc  I1n

Vcc I1n

Circuito equivalente para el ensayo en cortocircuito

• Los Los do doss componentes de Zcc

R Z   cc  cos

cc

X  Zcc   cos cc

164

 

Grupo de conexión En las tablas mostradas a continuación, se detallan los grupos de conexiones normalizados para transformadores de potencia trifásicos.

165

 

Grupo de conexión Debe tenerse en cuenta que el esquema de conexionado es valido solamente en el caso que los devanados tengan el mismo sentido de arrollamiento.

166

 

Grupo de conexión

167

 

Grupo de conexión

168

 

Grupos de conexión 

Se distinguen cuatro grupo de conexiones: Grupo I : índices horarios 0, 4 y 8 Grupo II : índices 6, 10 y 2 Grupo III : índices 1 y 5 Grupo IV : índices 7 y 11

Si los índices horarios difieren en 4 u 8 (o sea 120º o 240º), los transformadores pertenecerán al mismo

grupo.

169

 

8.4 Paralelo de transformadores El paralelo deben de transformadores utiliza cuando igualen forma capacidad operar al doblesede operar capacidad endos kVAtransformadores de cualquiera dedeellos individual. En otras otras palabras, palabras, la ca capacidad pacidad en kilovolt-ampers (kVA) de transformadores conectados en paralelo es igual a la suma de sus capacidades individuales. Alimentación primaria de 4800 Volts

Para dividir la carga de acuerdo con la capacidad de los transformadores y evitar corrientes circulantes, es necesario cumplir con los siguientes requerimientos: • Sus Sus ran rango goss de vo volt ltaj ajee d deb eben en ser ser iguales. • Sus Sus imp imped edan anci cias as (porc (porcen enta taje je d dee

impedancia) también deben ser iguales. Conexiones finales para dos transformadores en paralelo 170

 

Paralelo

Dos o más transformadores se conectarán en paralelo si se cumple: • Que

ambos tengan igual relación de

transformación. • Que pertenezcan al mismo grupo de conexión o que sean compatibles. • Que

las tensiones de cortocircuito sean iguales.

• Que

la relación entre sus potencias nominales

no supere la relación 3 a 1. 171

 

Paralelo del mismo grupo

R S T

 Dy7

r  s

 Dy11

t

172

 

Grupos compatibles 

Los transformadores horarios 5 y 11 son compatibles, tal comocon se índices muestra. R S T

 Dy5

r  s

 Dy11

t

173

 

Capítulo 9

Mantenimiento

174

 

9.1 Transformadores tipo secos Aún cuando los transformadores requieren de menos atención que la mayoría de los aparatos eléctricos, necesitan igualmente de cierto mantenimiento rutinario.

Factores a considerar para el funcionamiento y mantenimiento de los transformadores tipo secos • Hum Humeda edad d amb ambien iente te

• Pr Preca ecauc ucio ione ness

• Cir Circul culaci ación ón del ai aire re

• Revis evisió ión n

• Presen Presencia cia d dee polv polvo o en el aire

• Limp Limpie ieza za

Procedimiento de secado En el caso de paros prolongados por mantenimiento, se deben utilizar calentadores o secadores para evitar condensación de humedad en los devanados.

Si las pruebas de resistencia de sujetos aislamiento indican que devanados han adquirido humedad o si estos han estado a condiciones de los humedad no usuales, se deben someter a un proceso de secado.

175

 

9.1 Transformadores tipo secos   e  o    l   a    d  r   n   e   n   t   ó  e   t    i   x   n   c   a  a  e    i    d   c  r    i   o    l   l   e   a    M  p   a  c   e  o   a    d  n    l   r   e   n  e   t   ó    i   t   n  c   a    i   n    i   a   r    d   c    i   o    l   l   e   p    M  a  a   c

Es el procedimiento de secado más común. Se lleva a cabo aplicando aire caliente en los conductos presentes entre los devanados. El aire caliente se puede obtener usando resistencias o calentadores. Otra forma de calentamiento externo es introduciendo al transformador en un horno. En éste horno la temperatura de secado no debe exceder los110°C (230°F). Es te proceso de secado es más lento. El calentamiento interno se logra cortocircuitando un devanado y aplicando un voltaje reducido al otro devanado para obtener aproximadamente la corriente nominal del transformador,

como se aprecia en el siguiente diagrama.

Conexión para secado por calentamiento interno

176

 

9.1 Transformadores tipo secos

Constituye una forma rápida de   a   e  e   n    d   u   a   o    l   e  n  n   o    ó   e    i   r   t   d   e   n   c   t   n  n  a   r   x   e   a    ó    i   n  e  t    i   i    d   e  a   c   r   i   n   o   c   b    l    i    M    l   m   a   p  o   c   a  c

sacado de losdel devanados. temperatura devanadoLa no debe exceder los 100°C (230°F) y se debe medir en los conductos que se tienen entre los devanados. Para Para la medición de la temperatura no se deben utilizar termómetros de mercurio, debido a que se inducen corrientes en el mismo causando lecturas erróneas.

Medición de resistencia de aislamiento, conexión del

Meggertransformador y los devanados del

177

 

9.2 Transformadores en aceite Los transformadores en aceite requieren más atención que los de tipo seco. El líquido que se utiliza utilizaencomo aislant aislantee es yaceite mineral un líquido sintético. La acumula acumulación ción dela sedimentos los serpentines conductos de oenfriamiento del transformador reducen capacidad de transferencia de calor calor,, ocasionando un incremento en la temperatura de operación. Los transformadores en aceite, generalmente tienen dos tipos de enfriamiento : 1

Autoenfriado

Este tipo de enfriamiento depende de la circulación del aire alrededor del tanque y de que sus disipadores se encuentren limpios. 2

Enfriado por agua

El transformador enfriado con agua utiliza conductos o serpentines de enfriamiento a través de los cuales circula el agua.

178

 

Capítulo 10

Fallas

179

 

10.1 Fallas en el aceite aislante El aceite en el transformador se deteriora por la acción de la humedad, el oxígeno, la presencia de catalizadores (cobre) y el incremento de su temperatura. • Si se det detect ectaa h hume umedad dad,, se deben revisar todos los empaques y terminales de conexión (bushings) para determinar el acceso de la humedad.

• Si ssee encu encuent entra ra dem demasi asiado ado sedimento, se debe drenar el aceite así como limpiar a presión la parte interior del tanque y devanados.

MANTENIMIENTO Los transformadores en aceite, en los cuales ha entrado agua o se han iinundado, nundado, se deben secar secar.. Para realizar el secado se debe drenar el aceite en otro contenedor y seguir el procedimiento indicado para los transformadores tipo seco, en relación con las bobinas y el núcleo. El aceite debe secarse con un filtro a presión. Al terminar se hace una prueba para determinar su rigidez dieléctrica, antes de que se bombee de nuevo dentro del tanque del transformador.

180

 

10.1 Fallas en el aceite aislante

Circuito hidráulico que se utiliza en transformadores pequeños en los cuales re circula el aceite mediante una bomba y, al pasarlo a través de un filtro, reduce su contenido de humedad. humeda d. Par Paraa ttrans ransformad formadores ores grandes se diseñan diagramas de flujo mas complejos puesque es mayor el contenido de aceite almacenan, y por lo tanto es necesario un proceso de purificación del aceite mas detallado.

181

 

10.1 Fallas en el aceite aislante EJEMPLO En la figura se muestra un ejemplo de este tipo de diagrama utilizado por una máquina llamada desgasificadora para purificar el aceite.

Diagrama de flujo que muestra el proceso de purificación de aceite en transformadores grandes 182

 

10.1 Fallas en el aceite aislante ¿Qué sucede al romperse la condición de equilibrio? Al romperse de equilibrio, es decir decir,problemas: , al aumentar el valor de contenido de humedad en la el condición aceite, resultan los siguientes 1 El aceite cede su humedad a los aislamientos, lo cual da por resultado que el aislamiento envejezca más rápido y, por tanto, falle y se dañe.

2 El incremento de humedad del aceite, se manifiesta en e n una disminución en el valor de voltaje de

ruptura o rigidez dieléctrica. El aceite se satura cuando su contenido de humedad es de 100 ppm (0.01%). Bajo esta condición, cualquier adición será absorbida por los materiales fibrosos del transformador, como son: cartón, papel aislante y madera.

MANTENIMIENTO Bajo estas condiciones de contaminación, en transformadores pequeños (y hasta donde es práctico realizarlo) es recomendable rec omendable sustituir el aceite, para lo cual se debe hacer lo siguiente:

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Sacar el núcleo y los devanados; Sacar y desechar el aceite; Limpiar el interior del tanque; Limpiar el núcleo y los devanados y secarlos; Introducir el núcleo y los devanados en el tanque; Sellar y llenar a vacío con aceite nuevo. 183

 

10.1 Fallas en el aceite aislante Prensa de filtrar

La prensa de filtrar es un dispositivo que puede usarse para reacondicionar el aceite del transformador.. Una prensa de filtrar esta compuesta por una bomba y una serie de transformador filtros. Se usa una manguera para conectar la prensa de filtrar a la válvula de muestreo de aceite en el transformador. transformador. La bomba fuer fuerza za al aceite del transformador a través de los filtros. Este tratamiento se realiza estando el transformador desenergizado.

Prensa de filtrar

184

 

10.2 Fallas en el equipo auxiliar  ¿Cómo evitar una falla en el equipo auxiliar? 1 Se debe tener la certeza que el equipo auxiliar auxiliar,, de protección y medición funcione correctamente. 2 Debe revisarse y apretarse la tornillería en cuanto haya oportunidad, dado que la vibración natural del transformador en operación también favorece que se aflojen las conexiones.

3 Los aisladores o bushings deben estar limpios y, al menor signo de deterioro, deben reemplazarse.

4 El tanque debe estar limpio, no debe presentar signos de envejecimiento y se debe corregir de inmediato cualquier fuga.

185

 

10.2 Fallas en el equipo auxiliar  5 Es conveniente insistir en que, en operación normal, el aceite se dilate o se contraiga según la carga del transformador y la temperatura ambiente. 6 Se debe revisar que no existan rastros de carbonización en la superficie del tanque y que tampoco presente señales de abombamiento. 7 Si se observan rastros de carbón o señales de abombamiento, se debe desconectar el transformador y determinar las causas que lo han generado.

186

 

10.3 Fallas en devanados Este tipo de fallas pueden ser ocasionadas por: Fal Falsos sos contactos Corto circuito externo Corto circuito entre espiras Sobretensiones por descargas atmosféricas Sobretensiones por transitorios Sobrecargas Vibración que provoca desplazamiento en las bobinas

MANTENIMIENTO Después de una falla de este tipo y antes de poner en servicio nuevamente al transformador transformador,, se debe tener la certeza de que se ha eliminado el cortocircuito y se debe revisar exhaustivamente el transformador para determinar si está, o no, dañado. 187

 

10.3 Fallas en devanados Falso contacto

Es producida por un cortocircuito externo al transformador transformador.. La posibilidad de producir un daño al transformador dependerá de su intensidad y de su tiempo de duración. Esta falla se manifiesta con la presencia de carbón en las terminales, terminales carcomidas y un cambio a una coloración oscura en aislamientos y conductores.

Corto circuito entre espiras

Este tipo de fallas son el resultado de aislamientos que pierden sus características por exceso de humedad, sobrecalentamiento constante, exceso de voltaje, etc. Se manifiestan por un devanado regular excepto en el punto de falla

Sobretensiones

La manifestación de este tipo de fallas son bobinas deterioradas en la parte más cercana del transformador, transformador, o

por descargas atmosféricas

sea, en las conexiones o herrajes. En caso de que la sobretensión causada por la descarga atmosférica exceda el límite de aislamiento del transformador transformador,, el devanado sujeto a este esfuerzo fallará.

188

 

10.3 Fallas en devanados Sobretensiones por transitorios

Sobrecargas

Sobretensiones

Este tipo de sobretensiones son producidas por operaciones de switcheo (conexión y desconexión de cargas importantes), por puesta de servicio y desconexión de bancos de capacitores, etc. Los sobrevoltajes que se producen por estas causas pueden ser del orden de hasta dos veces el voltaje de operación. Si las sobrecargas a que se somete el transformador no han sido tomadas en cuenta durante el diseño del aparato, éste tendrá un envejecimiento acelerado que destruirá sus aislamientos y su falla se presentará como un cortocircuito entre espiras. La manifestación de este tipo de fallas son bobinas deterioradas en la parte más cercana del transformador, transformador, o

por descargastra

sea, en las conexiones o herrajes. En caso de que la sobretensión causada por la descarga atmosférica exceda el límite de aislamiento del transformador transformador,, el devanado sujeto a este esfuerzo fallará.

189

 

10.3 Fallas en devanados MANTENIMIENTO Se recomienda que las rutinas de mantenimiento prev preventivo entivo se realicen cada seis meses y en gran parte el éxito del mantenimiento dependerá de si se lleva o no un registro de actividades y resultados. Entre las actividades de mantenimiento se deben verificar: • Relación de transformación. • • • • • • • • • • • •

de aislamiento. Resistencia óhmica de los devanados. Operación del termómetro. Nivel de aceite. Limpieza del tanque y bushings. Inexistencia de fugas. Buen sellado y estado de juntas. Apriete general de tornillería y conexiones. Buena ventilación del cuarto en el que se aloja el transformador transformador.. Inexistencia de rastros de carbonización, y de producción de gases o humos. Toma de una muestra adecuada de aceite para verificar sus características. Verificación del sistema de enfriamiento cuando exista en el transformador transformador.. Mantenimiento al tablero de control.

Por supuesto que la labor de mantenimiento predictivo y/o preventivo, basada en una periodicidad adecuada y del análisis de sus resultados, contribuirá a lograr que el transformador alargue su vida útil y se prevengan posibles fallas. Esto último es muy importante, pues tener un transformador fuera de servicio se traduce, al menos, en una paralización parcial del proceso y por lo tanto, en pérdidas de producción. 190

 

10.4 Detección de fallas mediante el análisis de gases Este diagnóstico está basado principalmente en el análisis de los gases muestreados en el relevador Buchholz. Esto es, cuando un transformador de potencia es sometido a condiciones de cortocircuito, arcos eléctricos y sobrecalentamiento, se generan ciertos gases combustibles debido a la degradación del importantes, aceite y los materiales aislantes. El tipo y las concentraciones de gases generados son ya que el envejecimiento normal produce cantidades extremadamente pequeñas de gases mientras que las condiciones de falla generan grandes cantidades de los mismos.

¡ATENCIÓN! Se utiliza la técnica de cromatografía de gases para identificar los gases combustibles, ya que determina tanto el tipo como la concentración (cantidad)

de los gases disueltos en el aceite del transformador transformador..

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10.4 Detección de fallas mediante el análisis de gases Gases típicos generados por fallas en transformadores de potencia Gas

Símbolo

Hidrógeno

H2

Oxígeno Nitrógeno

O2 N2

Metano

CH 4

Monóxido de carbono Etano

CO C2H6

Dióxido de carbono

CO2

Etileno

CH