ALGUNAS OPCIONES QUE AFECTAN LA VIDA ÚTIL DEL TRANSFORMADOR

Diferentes factores afectan la vida útil del transformador, la cual se espera que sea mínimo de 20 años. Entre otros factores los más relevantes son los siguientes:

Condiciones de alimentación: Para una misma carga, si se alimenta sobreexcitado ó sea con tensión primaria mayor a la nominal en la posición del conmutador, el núcleo además de saturarse arrojará más pérdidas y en consecuencia se presentarán temperaturas en aceite y devanados mayores a las normales.

Si el transformador es alimentado a una frecuencia 5%, o más, por debajo de la nominal 60 ciclos, de igual manera se presentará calentamiento en el núcleo al incrementarse las

pérdidas.

Las situaciones transitorias en la red tales como sobretensiones por maniobra, descargas atmosféricas, entre otras.

CONDICIONES AMBIENTALES:

Los transformadores están diseñados para operar bajo determinadas condiciones de temperatura y altura sobre el nivel del mar. Si no se tienen en cuenta estos puntos, el transformador puede sufrir sobrecalentamiento que le restará vida útil.

CONDICIONES DE CARGA:

Si al sobrecargar el transformador no se tiene en cuenta la temperatura ambiente, la carga precedente y el tiempo durante el cual se aplica la sobrecarga requerida, pueden presentarse sobrecalentamientos en esta máquina eléctrica estática y por ende se le ocasiona disminución de la vida útil al transformador.

PRUEBAS DESTRUCTIVAS Y NO DESTRUCTIVAS

Es conveniente tener en cuenta que no todas las pruebas se aplican a todos los transformadores, ya que existen pruebas de tipo destructivo y no destructivo pero que se evalúan respecto a valores de normas preestablecidos.

Dentro de las pruebas de tipo destructivo se encuentran:

-  Pruebas de tensión inducida.
- Prueba de tensión aplicada.
- Prueba de impulso.

Una falla en una de éstas pruebas, ocasiona el rechazo del transformador y del diseño.

Respecto a las pruebas de tipo destructivo, y excluyendo las pruebas anteriormente mencionadas (de tipo destructivo), la evaluación está basada en las diferentes normas NTC., tales como la NTC 818 y NTC 819 que se refiere a los niveles de pérdidas en núcleo y devanados, corriente magnetizante y tensión de cortocircuito; las NTC 801, NTC 1058 y NTC2482 que tratan de los límites de calentamiento y capacidad de sobrecarga.

PRUEBAS EN TRANSFORMADORES

Previo a la entrega de transformadores electricos a los clientes se deben realizar diferentes pruebas o ensayos.

Hay que diferenciar tres tipos de pruebas:

Pruebas de rutina: Las que se realizan a todos los transformadores que salen “Sin excepción”.

Pruebas Tipo

Pruebas especiales: Estas pruebas se realizan a solicitud del cliente.

Las pruebas de rutina son:

a) Medida del valor de la resistencia óhmica de los devanados en la posición de trabajo del conmutador de derivaciones.

b) Medidas de la Relación de transformación, verificación y comprobación de la polaridad y grupo de conexión.

c) Medidas de las pérdidas y tensión de cortocircuito.

d) Medidas de las pérdidas y corrientes de vacío.

e) Prueba de tensión inducida: Se trata de verificar la calidad del aislamiento entre espiras y entre capas. Para el efecto se aplica una tensión por el devanado de baja tensión, equivalente al doble de la tensión en vacío y para evitar la saturación del núcleo se aplica una frecuencia equivalente como mínimo al doble de la nominal y durante un lapso de tiempo que depende de la frecuencia aplicada

f) Prueba de tensión aplicada: Con éste ensayo se verifica el estado de los aislamientos entre los devanados primario y secundario y entre éstos a tierra.

Las pruebas tipo son:

a) Prueba del conmutador de derivaciones. (No se realiza para transformadores de distribución).

b) Pruebas de impulso y de frentes de onda: Simulan las descargas atmosféricas y los rayos para demostrar que el transformador tiene un aislamiento suficientemente grande como para resistirlos.

c) Prueba de calentamiento: Verifica que las temperaturas de trabajo normal del transformador no se pasen de las apropiadas ya que este factor es primordial en la vida del transformador. Es una prueba que puede durar 10 horas en la cual se simula el transformador con toda su carga para medir el calentamiento.

d) Prueba de rigidez dieléctrica del aceite: Se realiza para verificar el posible contenido de humedad en el aceite, Con éste ensayo y otros como el de acidez, tensión interfacial, viscosidad y color, puede determinarse el estado del aceite.

Las pruebas especiales son:

a) Medición de la impedancia de secuencia cero.

b) Medición de tangente delta o factor de potencia de los aislamientos.

Transferencia de calor

En la práctica se encuentran tres formas básicas de transmisión de calor, las cuales son: Radiación, conducción y convección.

Conducción: Es la transferencia de calor entre dos puntos de un cuerpo que se encuentran a diferente temperatura sin que se produzca transferencia de materia entre ellos.

Convección: En este sistema de transferencia de calor se presenta la intervención de un fluido (liquido o gas) en movimiento que transporta energía térmica entre dos zonas. Esta puede ser Forzada o Natural. Forzada cuando a través de una bomba de agua o un ventilador de aire, se mueve el fluido a través de una zona caliente y este transporta el calor hacia la zona fría. En la Natural, el propio fluido extrae calor caliente y cambia su densidad haciendo que se desplace hacia la zona más fría donde cede su calor.

Radiación: es el calor emitido por un cuerpo como consecuencia de su temperatura, no existe contacto entre los cuerpos, ni fluidos intermedios que transportan el calor. Por lo tanto, por existir un cuerpo X (solido o liquido) a una temperatura mayor que un cuerpo Y, existirá una transferencia de calor por radiación de X a Y.

Con el fin de hacer perceptible este fenómeno, se hace necesario un cuerpo a una temperatura bastante elevada ya que la transferencia térmica en este caso depende de la diferencia de temperaturas a la cuarta potencia: Ta⁴-Tb⁴

TRANSFORMADOR DE POTENCIA

TRANSFORMADOR DE POTENCIA

El transformador es la parte más importante de una subestación eléctrica, la parte principal de un transformador de potencia es el circuito electromagnético el cual se encuentra constituido por un núcleo de láminas de hierro al silicio y dos bobinas o grupos de bobinas, las cuales son:  1. Bobinas del devanado primario 2. Bobinas del devanado secundario.

Estos elementos están relacionados con otros elementos destinados a las conexiones mecánicas y eléctricas entre las distintas partes al sistema de enfriamiento, al medio de transporte y a la protección de la máquina en general. 

BOBINAS DEL DEVANADO PRIMARIO.

El devanado primario de un trasformador es aquel que se encuentra conectado a la fuente de alimentación. 

BOBINAS DEL DEVANADO SECUNDARIO.

El devanado secundario se encuentra conectado a la carga, independientemente de la tensión de operación o voltaje. 

NÚCLEO.

El núcleo magnético está formado por laminaciones de acero que tiene pequeños porcentajes de silicio y que se denominan “laminaciones magnéticas”, estas laminaciones permiten la reducción de las pérdidas en el núcleo, siendo relativamente bajas por efecto de histéresis y de corrientes vagabundas o circulantes.

NÚCLEO DE HIERRO MAGNÉTICO

Las laminaciones se disponen o colocan en la dirección del flujo magnético de manera que los núcleos para transformadores están formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas.

La razón de usar laminaciones de acero al silicio en los núcleos de las máquinas eléctricas es que el silicio aumenta la resistividad del material y entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes parásitas y en consecuencia las pérdidas por este concepto.

En el transformador puede definirse como una máquina que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro sin cambio de frecuencia debido a que es una máquina estática. Esta transferencia de energía la realiza bajo el principio de inducción electromagnética teniendo circuitos eléctricos aislados entre si, que son eslabonados por un circuito magnético común.

Por ser una máquina estática el transformador requiere relativamente poca atención, por lo que su mantenimiento es espaciado desde su puesta en servicio.

CLASIFICACIÓN:

POR LA FORMA DE SU NÚCLEO.

• Tipo columna
• Tipo acorazado
• Tipo radial
• Tipo envolvente
• Tipo arrollado o WESCOR (Utilizado en la fabricación de los transformadores de distribución)

POR EL NUMERO DE FASES

• monofásicos
• trifásicos

POR EL NUMERO DE DEVANADOS

• un devanado
• dos devanados
• tres devanados

POR EL MEDIO REFRIGERANTE

• aire
• aceite
• liquido inerte

POR EL TIPO DE ENFRIAMIENTO

• enfriamiento OA
• enfriamiento OW
• enfriamiento OW/A
• enfriamiento OA/AF
• enfriamiento OA/FA/FA
• enfriamiento FOA
• enfriamiento OA/FA/FOA
• enfriamiento FOW
• enfriamiento A/A
• enfriamiento AA/FA

DESIGNACIÓN DE LOS NÚMEROS DE ENFRIAMIENTO.

Los transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite y cualquier método de enfriamiento empleado debe ser capaz de mantener una temperatura de operación suficientemente baja y prevenir puntos calientes en cualquier parte del transformador. El aceite se considera uno de los mejores medios de refrigeración que tiene además buenas propiedades dieléctricas y que cumple con las siguientes funciones:

Actúa como aislante eléctrico, actúa como refrigerante y protege a los aislamientos sólidos contra la humedad y el aire.

Con referencia a la transferencia de calor específicamente, las formas en que se puede transferir por un transformador son las siguientes:

• CONVECCIÓN
• CONDUCCIÓN
• RADIACIÓN.

La elección del método de enfriamiento de un transformador es muy importante, ya que la disipación del calor, influye mucho en su tiempo de vida y capacidad de carga, así como en el área de instalación y costo. De acuerdo con las normas americanas (ASA C57-1948) se han normalizado o definido algunos métodos básicos de enfriamiento, mismos que se usan en la misma designación en México y son las siguientes:

TIPO AA

Transformadores tipo seco con enfriamiento propio. Estos transformadores no contienen aceite ni otros líquidos para enfriamiento, el aire es también el medio aislante que rodea al núcleo y a las bobinas.

TIPO AFA

Transformadores tipo seco con enfriamiento por aire forzado, se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipos AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipación de calos por medio de ventiladores.

TIPO AA/FA

Transformador tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento con aire forzado, es básicamente un transformador tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipación de calor.

TIPO OA

Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural, en estos transformadores el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque que tiene pared lisa o corrugada o bien provistos con tubos radiadores.

TIPO OA/FA

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio y con enfriamiento con aire forzado, es básicamente un transformador OA con la adición de ventiladores.

TIPO OA/FOA/FOA

Transformador sumergido en liquido aislante con enfriamiento propio / con aceite forzado-aire forzado / con aceite forzado / aire forzado. Con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el régimen de operación (carga) de transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores.

TIPO FOA.

Sumergido en liquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y aire forzado. Estos transformadores pueden absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo.

TIPO OW

Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por agua. En estos transformadores, el agua de enfriamiento es conducido por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislante del transformador y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente. El aceite circula alrededor de los serpentines por convección natura.

TIPO FOW

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y con enfriadores de agua forzada. Este tipo de transformadores es básicamente igual que FOA, solo que el cambiador de calor es del tipo agua-aceite y se hace enfriamiento por agua sin tener ventiladores. Ver

TRANSFORMADOR TIPO COLUMNAS

Estos transformadores están construidos por bobinas dispuestas concéntricamente, alojadas en las columnas del núcleo, es decir, las bobinas envuelven al núcleo, siendo el caso contrario al tipo acorazado. Los transformadores de este tipo son generalmente más voluminosos. Los transformadores en alta tensión y para potencia son generalmente de este tipo.

TRANSFORMADOR TIPO ACORAZADO

Están construidos en forma compacta, de tal modo, que los embobínanos están envueltos por laminación; las bobinas son en forma de paquetes planos con el fin de reducir tanto dimensiones como peso. El tanque es ajustado a la estructura soporte de laminación y devanado para lograr que estos transformadores puedan soportar esfuerzos mecánicos ocasionados por cortos circuitos externos.

TRANSFORMADOR TIPO RADIAL.

Los transformadores de este tipo emplean bobinas de sección circular las cuales son fáciles de aislar y tiene gran resistencia mecánica.

TRANSFORMADOR TRIFÁSICO.

Este tipo de transformadores pueden ser utilizados tanto en la transmisión como en la distribución de energía eléctrica.

TRANSFORMADORES DE DOS DEVANADOS.

Son generalmente usados cuando solo se necesita alimentar un tipo de carga a una sola tensión.

TRANSFORMADORES DE TRES DEVANADOS.

Son utilizados para alimentar diferentes circuitos con su respectiva diferencia de tensiones de alimentación.

PARTES CONSTITUTIVAS DEL TRANSFORMADOR DE POTENCIA

Se puede considerar formado por tres partes principales:

• parte activa
• parte pasiva
• accesorios

PARTE ACTIVA

Esta parte está formada por un conjunto de elementos separados del tanque principal y que agrupa los siguientes elementos 

 Núcleo: este constituye el circuito magnético que está fabricado en lamina de acero a silicio, con un espesor de 0.28 mm. La norma que utiliza el fabricante para este diseño, no establece formas ni conexiones especiales para su fabricación. Se busca la estructura más adecuada a las necesidades y capacidades del diseño.

Bobinas: esta constituye el circuito eléctrico. Se fabrican utilizando alambre o solera de cobre o aluminio. Los conductores se forran de material aislante, que pueden tener diferentes características de acuerdo a la tensión de servicio de la bobina y al medio en que va a estar sumergida.

PARTE PASIVA.

Consiste el tanque donde se aloja la parte activa; se usa en los transformadores cuya parte activa va sumergida en líquidos.

El tanque debe ser hermético, soportar el vació absoluto sin presentar deformación permanente, proteger eléctrica y mecánicamente el transformador, ofrecer puntos de apoyo para el transporte y la carga del mismo, soportar los enfriadores, bombas de aceite, ventiladores y los accesorios especiales.

La base del tanque debe ser lo suficientemente reforzada para soportar las maniobras de levantamiento de la carga del mismo.

El tanque y los radiadores de un transformador deben tener un área suficiente para disipar las pérdidas de energía desarrollada dentro del transformador, sin que su elevación de temperatura pase de 55 ⁰C, o más dependiendo de la clase térmica de aislamiento especificado.

Nota no confundir parte pasiva con accesorios.

CONSULTE TODOS LOS ACCESORIOS QUE DEBEN TENER LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA y la función de cada uno de ellos.

CONEXIONES DE TRANSFORMADORES

CONEXIONES DE TRANSFORMADORES

Para seleccionar un transformador es necesario conocer las ventajas y desventajas de cada una de las conexiones más utilizadas. 

Dichas conexiones son:

ESTRELLA – ESTRELLA

Características principales:

• Aislamiento mínimo.
• Cantidad de cobre mínimo.
• Circuito económico para baja carga y alto voltaje.
• Los dos neutros son accesibles.
• Alta capacidad entre espiras, que reduce los esfuerzos dieléctricos durante los transistorios debidos a tensión.
• Neutros inestables, sino se conectan a tierra.

DELTA – ESTRELLA

Se acostumbra a utilizar en transformadores elevadores de tensión. Sus características son:

• Al aterrizarse el neutro del secundario se aíslan las corrientes de la tierra de secuencia cero.
• Se eliminan los voltajes de tercera armónica, porque la corriente magnetizante de tercera armónica se queda circulando dentro de la delta del primario.
• La conexión estrella se usa con aislamiento graduado hasta el valor de la tensión del neutro.

ESTRELLA – DELTA 

Se acostumbra a utilizar en transformadores reductores de tensión. Sus características son: 

• No se puede conectar a tierra del lado del secundario. 
• Se eliminan los voltajes de tercera armónica porque la corriente magnetizante de la tercera armónica se queda circulando dentro de la delta del secundario.

DELTA –DELTA

Es una conexión raramente usada. Se utiliza en tensiones bajas y medias. Sus características son:

• En caso de que a un banco de transformadores que se le dañe una fase, se puede operar utilizando la conexión delta abierta o V.
• Circuito económico para alta carga y bajo voltaje.
• Las dos deltas proporcionan un camino cerrado para la tercera armónica de la corriente magnetizante, lo cual elimina los voltajes de la tercera armónica.
• No se pueden conectar los puntos neutros. Se necesita utilizar un banco de tierra, lo cual encarece más el banco.
• Se necesitan mayores cantidades de aislamiento y de cobre.

La conexión delta se usa en aislamiento total y rara vez se usa en tensiones superiores a 138 KV por el alto costo de aislamiento.

ESTRELLA – ESTRELLA CON TERCIARIO EN DELTA

Sus características son:

• La delta del terciario proporciona un camino cerrado para la tercera armónica de la corriente magnetizante, lo cual elimina los voltajes de la tercera armónica en los devanados principales.
• El terciario se puede utilizar para alimentar el servicio de estación, aunque no es muy recomendable por las altas corrientes de corto circuito que se obtienen. 
• Aumentar el tamaño y costo del transformador.

T-T

Es una conexión raramente usada. Solo se utiliza en casos especiales en que alimentan cargas trifásicas, bifásicas y monofásicas juntas, sus características son:

• Comportamiento semejante a la conexión estrella – estrella.
• Tiene ambos neutros disponibles.
• Los voltajes y corrientes de tercero armónica pueden ocasionar problemas
• Se necesitan dos transformadores monofásicos para la conexión.
• La capacidad debe ser de 15% mayor que la carga por alimentar.

ZIG-ZAG

Se utiliza en trasformadores de tierra conectados a bancos con conexión delta, para tener en forma artificial una corriente de tierra que energice las protecciones de tierra correspondientes.