Transformadores Trifsicos

REALIZADO POR

Mauricio Morales Mendoza

Qu es un transformador de Poder?

Es un equipo esttico con dos o ms devanados los cuales, por induccin electromagntica transforman un sistema de tensin y corriente alterna en otro sistema de tensin y corriente usualmente de valores diferentes y a la misma frecuencia. La transformacin se realiza con el objetivo de transmitir potencia elctrica.

Por qu utilizar transformadores? La funcin principal de los transformadores es realizar cambios de relacin entre tensiones y corrientes a una misma frecuencia.

Altas prdidas IR Bajas prdidas IRIVIVProducin de EnergaTransformadorTransporte de Energa

Clasificacin de transformadores segn su aplicacin

TRANSFORMADORES ELEVADORES- GENERADOR

TRANSFORMADORES REDUCTORES- SUBESTACIONES DE TRANSFORMACIN

TRANSFORMADORES DE POTENCIATRANSFORMADORES DE DISTRIBUCINTRANSFORMADORES MONO O TRIFSICOS

TRANSFORMADORES ESPECIALES:- RECTIFICADORES, HORNOS, TRACCIN

Vocabulario para transformadores de poder

Datos de placa

Tensin entre lneas: Tensin en los terminales de cada devanado. Tensin principal de AT: Es dada por el valor de tensin de la posicin principal del cambiador de tomas. Tensin principal de BT: Es dada por el valor obtenido con el circuito de tensin abierto (en vaco). Relacin de tensin calculada.

Tensin Calculada de ATRelacin de Tensin ()= ----------------------------------- Tensin Calculada de BT

Nomenclatura de transformadores (Trafo) trifsicos

Es importante saber reconocer la especificacin de un transformador,sobre todo el tipo de conexin y desfase vectorial.

AbcA: Conexin de devanados de alta tensin D: delta Y: estrellab: Conexin de devanados de baja tensin d: delta y: estrella z: zig - zagc: ndice de desfase de las tensiones de alta y baja. c = f /30 f: ngulo de atraso de tensin de fase inducida en el lado de baja tensin respecto a la tensin de fase inducida en el lado de alta tensin.

Yd1: Devanado de Alta Tensin conectado en Estrella Devanado de Baja Tensin conectado en Delta Desfase entre las tensiones de fase de Alta y Baja de 30

Dy7: Devanado de Alta Tensin conectado en Delta Devanado de Baja Tensin conectado en Estrella Desfase entre las tensiones de fase de Alta y Baja de 210

Yz11: Devanado de Alta Tensin conectado en Estrella Devanado de Baja Tensin conectado en Zig - Zag Desfase entre la tensiones de fase de Alta y Baja de 330

Dz6: Devanado de Alta Tensin conectado en Delta Devanado de Baja Tensin conectado en Zig - Zag Desfase entre las tensiones de fase de Alta y Baja de 180

Algunas conexiones normalizadas

Dd0Yy0Dz0Dy1Yd1Yz1Dd2Dz2Dd4Dz4Dy5Yd5Yz5Dd6Yy6Dz6Dy7Yd7Yz7Dd8Dz8Dd10Dz10Dy11Yd11Yz11

Secuencia de Fases ABC

Secuencia de Fases ACB

Observaciones

El desfase de alta y baja se calcula sobre la misma fase (p. ej. VA , Va).En los transformadores monofsicos, las tensiones de alta y baja estn enfase o desfasados 180.Cuando estn conectados en estrella, los devanados llevan la tensin defase.Cuando estn conectados en delta, los devanados llevan la tensin de lnea.

Procedimiento para determinar las conexiones en un trafo de conexin Yd11 con secuencia de fases ABCc = 11: ngulo entre tensiones de fase alta y baja f =11x30= 330Y: Conexin devanados de alta en estrella. La tensin del diagrama de conexiones es la tensin de fase VA del diagrama fasorial.d: Conexin devanados de baja en delta. La tensin indicada en el devanado de baja es de lnea Va.

Hay que identificar una tensin de lnea del lado de baja que est en fase con VA y que sea generada por la tensin Va desfasada 330, teniendo en cuenta la secuencia de fases especificada (ABC).

Procedimiento para determinar las conexiones en un trafo de conexin Yd11 con secuencia de fases ABCConexin final para el transformador Yd11

Clasificacin de transformadores segn su construccin1.- Transformadores con circuito magntico tipo Columnas y bobinas cilndricas y concntricas (pueden ser rectangulares)

Monofsico con una columna bobinada Monofsico con dos columnas bobinadas Trifsico con tres columnas bobinadas Trifsico con cinco columnas, tres de ellas bobinadas

Ncleos 1 Fase2 columnas bobinadas1 columna bobinada y 2 de retornos2 columnas bobinadas y 2 de retornos3 columnas bobinadas3 columnas bobinadas y 2 de retornosNcleos Trifsicos

Clasificacin de transformadores segn su construccin2.- Transformadores con circuito magntico tipo Acorazado y bobinas rectangulares.

Acorazado trifsico Acorazado trifsico con siete columnas

En la figura se representa un esquema simple formado por dos bobinas acopladas magnticamente, una con N1 espiras la otra con N2 espiras, en funcionamiento normal los dos devanados estn conectados a dos redes elctricas. Se define funcionamiento en vaco cuando uno de los devanados, por ejemplo el primario, se conecta a una fuente de tensin y el segundo se deja en circuito abierto, es decir, sin ninguna carga asociada al mismo.

Funcionamiento de un transformador en vacoPrimario N1 espirasSecundario N2 espirasFlujo magntico

En esta condicin se define la corriente en vaco, como la intensidad senoidal absorbida por el primario, el cual se comporta como una bobina real con ncleo de hierro ya que al estar el secundario en circuito abierto no circula corriente por el secundario. El orden de magnitud tpico de la corriente de vaco es del 0,5% al 5% de la intensidad nominal, dependiendo de la potencia del transformador. Los valores de resistencia de devanados y de la reactancia de dispersin son tales que las cadas de tensin que se producen en ellas cuando circula la intensidad nominal oscilan entre el 0,5% y el 1% de la tensin nominal para la resistencia y de 5% - 15% para la reactancia. Para un valor de intensidad de vaco del 1% de la nominal las cadas de tensin son prcticamente despreciables (del orden del 0,01% y el 0,1% respectivamente), as como las prdidas por efecto Joule en la resistencia del primario.

En consecuencia en funcionamiento en vaco se admite que: U1 E1 P0 Pfe

Funcionamiento de un transformador en vaco

Funcionamiento de un transformador con carga Si se conecta una impedancia a los bornes del secundario, circular una corriente que ir desfasada en general con un cierto ngulo de la tensin en bornes. Esta corriente mencionada en el prrafo anterior, es la causa de una nueva fuerza magneto motriz (f.m.m) en el secundario del circuito magntico del transformador, que viene a sumarse a la existente en vaco, y muy superior a esta. Como la intensidad en vaco es muy pequea comparada con la intensidad nominal en la carga, la mayor parte de la intensidad que circula por el primario se debe al efecto reflejado de la corriente de carga del secundario del transformador.Primario N1 espirasSecundario N2 espirasFlujo magntico

Los valores nominales de un transformador son su potencia, tensin, intensidad y frecuencia. Estos factores definen las condiciones de utilizacin en las cuales el fabricante garantiza el funcionamiento correcto del transformador.

Las Normas sobre transformadores de potencia dicen: El fabricante asignar al transformador los valores nominales que debern ser marcados en la placa de caractersticas. Estos valores nominales debern ser tales que el transformador pueda suministrar una intensidad igual a su intensidad nominal en condiciones de carga continua sin sobrepasar los lmites de calentamiento especificados, suponiendo que la tensin aplicada es igual a la tensin nominal de alimentacin y que esta alimentacin se efecte a la frecuencia nominal.Valores nominales

De acuerdo lo anterior la definicin de los valores nominales es algo que solo viene limitado por condiciones de calentamiento (o si se quiere, por las prdidas producida en el transformador):

Tensin y frecuencia para las prdidas en el hierro. - Intensidad de carga para las prdidas en el cobre de los devanados. Valores nominales

En Vaco:

- Existen siempre que el transformador est energizadoEn carga:

- Dependen de la carga del transformador- La evaluacin de prdidas en carga depende de la previsin del cliente de su carga futura- Las prdidas en carga son directamente proporcionales al cuadrado de laintensidadEjemplo: Al 100 % de la carga, las prdidas en carga son 200 kW. Al 70 % de la carga, son 98 kW.

Prdidas sin carga / Prdidas con carga

PrdidasPRDIDAS NUCLEODependiendo del voltaje y la frecuencia: - Histeresis- Prdidas de corriente debido al campo magnetico, Foucoult o parsitas.PRDIDAS COBREDependiendo de la corriente de carga : - Prdidas ohmicas IR- Prdidas de corriente en el devanado y en las partes metalicas expuestas al campo magnetico creado por la corriente de carga.

El incremento de temperatura permisible est dado esencialmente por el fabricante, quien debe definir la clase y el tipo de aislamiento en concordancia con los valores de vida til de cada material.

La vida til de un transformador es dependiente de la temperatura mxima permisible en el punto ms caliente de los devanados, siendo esta temperatura igual a la temperatura ambiente, ms el incremento admisible de temperatura en el cobre. De lo anterior, se puede decir que la potncia calculada de un transformador puede ser definida como la potencia admisible para una vida util normal llevandose en cuenta la temperatura ambiente y el incremento de temperatura del ambiente impuesto por los estndares.

Aumento de temperatura

La reactancia es una medida de la energa localizada en el flujo de fugas, nos referimos al flujo que sale o circula fuera del ncleo del transformador.

Generalmente los clientes de empresas dedicadas a proveer transformadores, especifican el valor de la impedancia cuando requieren estas maquinas, debido a algunos de los siguientes motivos:

Una impedancia adecuada aportar un buen rango de estabilidad al sistema. Una impedancia baja est asociada a menores prdidas en carga. Puede ser usada para limitar las corrientes de cortocircuito en un punto de la red. Una impedancia alta hace que estas disminuyan.Impedancia

ImpedanciaImpedanciaPrdidasImpedancia y Prdidas Impedancia y materiales de partes activasBaja ImpedanciaAlta Impedancia

La potencia de un transformador depende del nivel mximo de temperatura que puede alcanzar la aislacin para que tenga un nivel aceptable de prdida de vida til. Generalmente se dice que la elevacin de promedio del cobre sobre el ambiente debe ser de 65 C, en algunos casos por requerimiento especial del cliente se disean para 55 C. Los 65 C de elevacin cobre ambiente, ms los 40 C de temperatura mxima del ambiente, ms 15 C de elevacin del punto ms caliente por sobre el promedio del cobre (Norma ANSI), resulta en los 120 C, temperatura que resiste la aislacin de celulosa que envuelve al conductor. Condiciones de refrigeracin, potencia y temperatura

Cuando el transformador sobrepasa los 65 C sobre el ambiente durante el ensayo de calentamiento significa que no fue construido para la potencia especificada.

Cabe sealar que al igual a la distancia de fuga, la temperatura debe derratearse para trabajar en altura, por efecto de la menor densidad del aire se tiene una menor conveccin. Como regla general la prdida de eficiencia trmica es de 0,26 C por cada 100 metros sobre los 1000 metros sobre el nivel del mar.

Por ejemplo a 4400 m.s.n.m, se tiene que disear el transformador para que la temperatura a 1000 m.s.n.m sea de 56,2 C.

Condiciones de refrigeracin, potencia y temperatura

Es la tensin que debe ser aplicada al primario del transformador, con el secundario cortocircuitado, de manera a permitir la circulacin de las corrientes primarias y secundarias (I1a y I2a) por sus respectivos devanados. El valor est expresado como un porcentaje de la tensin nominal V1a.

Tensin de CortocircuitoPrimario N1 espirasSecundario N2 espiras

Cambiador de tomas (TAP) Cuando se desea obtener tensin variable por medio de escalones discretos, o bien compensar las cadas de tensin producidas en la impedancia de cortocircuito interna del transformador o en las impedancias de las lneas o cables que alimenta la carga, se recurre a dotar a los transformadores con tomas de regulacin (cambiadores de tomas bajo carga o en vaco).Consisten en conexiones externas que se hacen en determinadas posiciones del devanado de forma que el nmero efectivo de espiras entre los extremos de cada fase sea diferente de una toma a otra. Las Normas definen la tensin de toma como el valor de la tensin originado en vaco entre los terminales de lnea, cuando se aplica su tensin asignada a otro devanado. Cada toma tiene una tensin diferente asignada, que de acuerdo con la Norma se puede especificar bien en porcentaje (positivo o negativo) respecto de la tensin asignada a la toma central indicada en Volts, o bien por valores absolutos asignados a cada toma.

El cambiador de tomas consta de tres elementos bsicos:

-El selector de tomas -El ruptor -El mando o accionamiento a motor

El selector tiene la funcin de elegir la toma deseada en funcin de la posicin que interesa. Esta accin se efecta sin carga pero con plena tensin. Una vez conseguida la posicin elegida el ruptor transmite instantneamente la corriente de la toma anterior a la actual, sin interrumpir su circulacin. (corriente de carga) La transmisin de movimiento est controlada por el mando o accionamiento a motor.

La transferencia de potencia elctrica involucra la formacin de arcos en el aceite y por lo tanto contaminacin, existen cambiadores de tomas bajo carga que usan interruptores al vaco para su conmutacin cuya aplicacin disminuye los costos de mantenimiento y aumenta a vida til del equipo. Desde el punto de vista de su diseo existen modelos para operar dentro de un compartimiento ubicado en el interior del estanque del transformador (tipo en estanque o in tank) o externamente en una caja separada llena de aceite aislante montada a un costado del estanque principal (tipo mochila).

Cambiador de tomas bajo carga (Tipo Mochila)Cambiador de tomas (Tipo IN TANK)

SIN CARGA (CTSC)

Se utilizan por lo general en las siguientes situaciones: Redes estables Plantas generadoras Pocos cambios de configuracin carga constanteCON CARGA (CTBC)

Se utilizan por lo general en las siguientes situaciones: Interconexin Carga variable Cos variable Regulacin de voltaje automatica Funcionamiento paralelo automatico de Transformadores Nmero de posiciones Diferencia entre taps Voltaje por cada tap en funcin de las flotaciones y caidas de tensin

Eleccin de un cambiador de tomas Bajo Carga

Cambiar la relacin sin desconectar el transformador. Conectada con un control de voltaje. Operacin automatica. Transformadores de redes con cambios constantes de carga

Sin Carga

Aislamiento de la red. Accionamiento manual.

Transformadores Elevadores para Salida de Generadores

Sin CargaMotorizado bajo Carga

Mtodos de refrigeracin Evacuar el calor producido durante el proceso de transformacin de energa, transfiriendo el calor desde los puntos donde se genera (devanados ncleo), hacia las superficies de radiacin, radiadores, intercambiadores de calor, para mantener el rendimiento nominal del equipo Puesto que el aceite tiene una mayor capacidad de refrigeracin que el aire, frecuentemente se utiliza aceite como fluido refrigerante el cual est en contacto con los devanados y el ncleo, el calor generado en el interior de estos por efecto Joule de las corrientes y por histresis y corrientes de Foucault se transmiten hacia el medio refrigerante externo (aire o agua).

Mtodos de refrigeracinSe habla de transformadores de refrigeracin natural o forzada. Las normas clasifican los sistemas de refrigeracin segn el fluido refrigerante primario (en contacto con las partes activas del transformador) y secundario (normalmente la atmsfera exterior) y la forma de transmisin de calor de uno a otro. El aceite con el tiempo tiende a polimerizarse y oxidarse perdiendo sus cualidades dielctricas, por otra parte pequeas trazas de humedad, que pueden provenir de la ruptura de las cadenas polimricas de celulosa en el papel aislante, reducen la resistencia de aislamiento.

Sistemas de enfriamientoNatural ONAN RadiadoresMixto ONAN-ONAF-OFAF Bombas, radiadores y ventiladoresForzado ODAF-ODWF Bombeo de aire. Enfriamiento por aguaCaractersticas Terrenos de grandes dimensiones (radiadores separados para trafo grandes). Poco mantenimiento. Bajos costos de servicio (sin utilizar energa auxiliar). Terrenos de dimensiones estndar. Mantenimiento peridico. Utilizacin de la energa auxiliar depende del coeficiente de carga.

Terrenos de dimensiones reducidas. Mantenimiento peridico. Necesidad de energa (utiliza energa bajo todas las condiciones de servicio).

Aplicables Superficie de bajo costo. Para cualquier coeficiente de carga. Superficie de bajo costo. Para cualquier coeficiente de carga.

Nomenclatura del sistema de enfriamiento Para los sistemas de enfriamiento que utilizan algn tipo de fluido, es necesario 4 letras para el cdigo correspondiente.PRIMERAS 2 LETRAS: Definen el fluido y el mecanismo interno de transferencia de calor ONoil natural (aceite natural) KFsynthetic forced (sinttico forzado, con bombas) SEGUNDAS DOS LETRAS: Definen el medio externo de transferencia de calor ANair natural (aire natural)AFair forced (aire forzado)

Nomenclatura del sistema de enfriamiento1ra letra: Describe el refrigerante primario

OOil ( aceite mineral o lquido aislante sinttico)WWater (Agua)

2da letra: Describe el tipo de circulacin del refrigerante primario

NNatural (convexin natural)F Forced (circulacin forzada: motoventiladores, bombas)DDirected (circulacin forzada y dirigida) 3ra letra: Describe el medio externo de enfriamiento

AAir (Aire)WWater (Agua)

4ta letra: Describe el mecanismo para el medio de enfriamiento externo

N Natural (convexin natural)F Forced (circulacin forzada: motoventiladores, bombas)

Prestar atencin en lo siguiente frente alguna inspeccin y/o mantencin:ONAN: Inspeccionar periodicamente los radiadores, retirar la suciedad eventualmente acumulada.

ONAF: Efectuar mantenimiento peridico de los ventiladores. No dejar que los mismos quedense afuera de servicio por un largo perodo.

OFAF: Efectuar mantenimiento peridico de las bombas de circulacin.

OFWF: Controlar la presin de agua en los intercambiadores, la cual debe permanecer ms baja que la del aceite para evitar contaminacin en caso de alguna fuga. Controlar la temperatura, debido a que un aumento de la misma, es una seal de que puede haber acumulado suciedad o escoria adentro de la tuberia. Cuando sea necessario, recomiendase abrir las tuberias de modo a limpiarlas correctamente.

Algunos aislantes utilizadosTipos de aislamientos: Papel y cartn prensado, ambos productos de celulosa obtenida de la madera de pino. Aceite mineral, obtenido de la destilacin del petrleo.

Observacin:La humedad reduce drsticamente la capacidad aislante de estos materiales.

Algunos ComponentesINDICADOR MAGNTICO DE NIVEL DE ACEITE Cuadrante grabado en niveles. Posee un indicador accionado por imanes permanentes acoplados a un flotador. Segn el nivel de aceite el flotador entrega rdenes a los micro switch de mnimo o mximo.

Algunos ComponentesRADIADORESVENTILADORES

Algunos ComponentesAlta TensinBaja TensinAISLADORES

Derrateos por alturaLas Normas IEEE consideran que la disminucin de la densidad del aire afecta la capacidad de aislamiento y la capacidad de refrigeracin a partir de los 1.000 m de altura sobre el nivel del mar (3.300 pies). Por lo cual se aplican factores de correccin para definir el nivel bsico de aislamiento (BIL, Basic Insulated Level) de los equipos por suministrar, en el caso del aislamiento dielctrico.La tabla siguiente (Normas IEEE) especifica los valores de correccin por aplicar:

Altura en pie Altura en metrosFactor de correccin 3.3001.0001,004.0001.2000,985.0001.5000,956.0001.8000,927.0002.1000,898.0002.4000,869.0002.7000,8310.0003.0000,8012.0003.6000,7514.0004.2000,7015.0004.5000,67

Fluidos aislantes-refrigerantesLos fluidos que se emplean con ms frecuencia son dos:

Aceite mineral:

Es el ms usado debido a sus caractersticas fsicas, qumicas y dielctricas. Adems, es comparativamente de menor costo.

Silicona:

Se usa en ambientes cerrados o instalaciones donde sea importante disminuir los riesgos de incendio. No permite ensayos cromatogrficos, por lo que el mantenimiento predictivo es ms difcil que en el caso del aceite. Debido a que tiene mayor viscosidad que el aceite mineral, los mtodos de refrigeracin asociados deben ser de mejor rendimiento que los diseados cuando el fluido es aceite mineral.

Fluidos aislantes-refrigerantes En la siguiente tabla se compararan algunas propiedades de los dos fluidos mencionados:

Propiedad Aceite Mineral SiliconaNorma Rigidez dielctrica45 40D-877 Viscosidad 40 C 9,2 39D-445, D-88Viscosidad 100 C 2,3 17Flash Point C 147 300D-92Fire Point C165 343D-92Pour Point C- 50 - 55D-97Densidad Kg/l 0,87 0,96D-1298

Algunos ensayos de los transformadores Ejemplos de ensayos de rutina:

Relacin de transformacin, polaridad, y grupo de conexiones. Mediciones de aislacin. Resistencia hmica de los devanados Ensayos de cortocircuito: Prdidas en carga, impedancia de cortocircuito Prdidas y corriente de vaco Ensayos dielctricos de alta frecuencia: Impulso, sobretensin de maniobra. Ensayos dielctricos de baja frecuencia: Tensin aplicada y tensin inducida.

Ejemplo de ensayos tipo:

Aumento de temperatura o calentamiento

Ejemplo de ensayos tipo:

Medicin de nivel de ruido Impedancia de secuencia cero en unidades trifsicas.

Protecciones

PROTECCION CONTRA PERTURBACIONES DE ORGEN EXTERNO PROTECCION CONTRA DEFECTOS INTERNOS

ProteccionesPROTECCION CONTRA PERTURBACIONES DE ORGEN EXTERNO Sobretensiones de orgen atmosfricos Cortocircuitos de orgen diversos Sobrecargas

Protecciones contra sobretensiones

Pararrayos Autovalvulas Interruptores

Cortocircuitos de orgen diversos

Interruptores (Transformadores de Poder), accionados por rels de sobrecorrientes. Fusibles (Transformadores de Distribucin)

ProteccionesPROTECCION CONTRA PERTURBACIONES DE ORGEN EXTERNO SobrecargasPreservar aislaciones de enrollados contra el envejecimiento provocado por calentamientos inadmisibles

Imagn trmica (temperatura de enrollados)

DETECTORES TRMICOS

- Termmetros de aceite- Termostatos - Sondas de platino o cobre

ProteccionesPROTECCION CONTRA DEFECTOS INTERNOS Defectos de orgen interno

DIELECTRICOSCortocircuito entre espiras a tierra, o descargas parciales. ELCTRICOSContactos deficientes.

ELECTRODINMICOS Por cortocircuitos, se pueden deformar las bobinas y estructuras aislantes. TRMICOSCalentamientos locales o generalizados. MECNICOSVibraciones, fugas, alineaciones defectuosas y/o accionamiento de conmutadores.

ProteccionesPROTECCION CONTRA DEFECTOS DE ORGEN INTERNOS REL BUCHHOLZ

PROTECCION DIFERENCIAL

CHIMENEAS DE EXPLOSIN

VLVULAS AUTOMTICAS DE ALIVIO DE PRESIN

SISTEMAS DE PRESERVACION DEL ACEITE

- A presin constante con contacto con el aire- A presin constante sin contacto con el aire- A presin variable (Sellados)