UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN

SEGURIDAD INDUSTRIAL

CONSULTA: “La influencia electromagnética, en un sistema eléctrico de

potencia (transformadores de distribución redes de bajo, medio y alto voltaje)”

INTEGRANTES: Calvopiña Osorio Jenny Paola

Guagchinga Pinta Carlos Fabián Egas Cunalata Fabricio Daniel

Quinatoa Chicaiza Sabrina Amparo Panchi Olivo Francisco Sebastián

Serna Villarreal Estefanía Monserrath

NOVENO NIVEL MARZO – AGOSTO 2014

2

Tabla de contenido:

1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 3

2. DESARROLLO ................................................................................................................................. 3

2.1. UBICACIÓN Y CONFORMACIÓN DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ......................................... 3

2.4. TRASFORMADORES .................................................................................................................... 6

2.4.1. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES ....................................................................... 6

2.4.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ......................................................................................... 8

3. EJEMPLOS PRÁCTICOS ................................................................................................................. 11

4. EXPERIENCIAS VIVIDAS ................................................................................................................ 20

5. PUNTOS DE VISTA; LOCAL, REGIONAL, NACIONAL Y MUNDIAL .................................................... 21

6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS .......................................................................................................... 21

7. CONCLUSIÓN ............................................................................................................................... 22

8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................... 23

Tabla de figuras:

Figura 1Sistema de potencia ......................................................................................................... 4

Figura 2 Transformador ................................................................................................................. 6

Figura 3Flujo Magnético ................................................................................................................ 8

Figura 4 El funcionamiento del transformador básico. ............................................................... 10

Figura 5Eficiencia de un transformador de 100kVA .................................................................... 13

Figura 6Transformador de distribución en un poste eléctrico ................................................... 14

Figura 7 Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi ................................................ 15

Figura 8Transformadores herméticos de llenado integral .......................................................... 16

Figura 9 Transformadores rurales ............................................................................................... 16

Figura 10Transformadores subterráneos.................................................................................... 17

Figura 11Transformadores auto protegido ................................................................................. 17

Figura 12 Transformadores ......................................................................................................... 18

Figura 13 Transformadores de corriente .................................................................................... 19

Figura 14Transformadores de potencia ...................................................................................... 19

Figura 15 Transformadores especiales........................................................................................ 20

3

LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA EN UN SISTEMA

ELÉCTRICO DE POTENCIA

1. INTRODUCCIÓN

El mundo tiene una fuerte dependencia de la energía eléctrica. No es imaginable lo que

sucedería si esta materia prima esencial para mover el desarrollo de los países llegase a

faltar. Está fuera de cualquier discusión la enorme importancia que el suministro de

electricidad tiene para el hombre hoy, que hace confortable la vida cotidiana en los hogares,

que mueve efectivamente el comercio y que hace posible el funcionamiento de la industria

de la producción.

Un sistema eléctrico de potencia tiene como finalidad la producción de energía eléctrica en

los centros de generación y transportarla hasta los centros de, para ello, es necesario

disponer de la capacidad de generación suficiente y entregarla con eficiencia y de una

manera segura al consumidor final, teniendo en cuenta la ubicación y dimensionamiento

óptimo de transformadores en sistemas de distribución de redes de alta, mediana y baja

potencia.

Los trasformadores de distribución de redes de voltaje son parte esencial ya que nos

permiten jugar con voltaje y corriente para llevar cierta potencia evitando las perdidas en

las diferentes etapas que conforman una red; ya que por su estructura y gracias a los enlaces

de flujo magnético que en este se producen podemos elevar o disminuir el voltaje por lo

cual en su diseño se encuentran presentes cálculos matemáticos, normas y estándares.

2. DESARROLLO

2.1. UBICACIÓN Y CONFORMACIÓN DE UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

Un sistema eléctrico de potencia incluye las etapas de generación, transmisión, distribución

y utilización de la energía eléctrica, y su función primordial es la de llevar esta energía desde

los centros de generación hasta los centros de consumo y por último entregarla al usuario

en forma segura y con los niveles de calidad exigidos.

Aproximadamente las 2/3 partes de la inversión total del sistema de potencia, están

dedicados a la parte de distribución, lo que implica necesariamente un trabajo cuidadoso en

el planeamiento, diseño y construcción y en la operación del sistema de distribución, lo que

requiere manejar una información voluminosa y tomar numerosas decisiones, lo cual es una

tarea compleja pero de gran trascendencia.

Para ubicar el sistema de distribución obsérvese el esquema de un sistema de potencia de

la figura 1. El sistema de distribución a su vez está conformado por:

4

a) Subestaciones receptoras secundarias: donde se transforma la energía recibida de

las líneas de subtransmisión y dan origen a los circuitos de distribución primaríos.1

b) Circuitos primarios: que recorren cada uno de los sectores urbanos y rurales

suministrando potencia a los transformadores de distribución a voltajes como13.2

kV, 11.4 kV, 7620 V, etc.

c) Transformadores de distribución: se conectan a un circuito primario y suministran

servicio a los consumidores o abonados conectados al circuito secundario.

d) Circuito secundario: encargados de distribuir la energía a los usuarios con voltajes

como 120/208 -120/240 V y en general voltajes hasta 600 V.

Figura 1Sistema de potencia

La distribución de energía eléctrica es una actividad cuyas técnicas están en un proceso

constante deevolución reflejada en el tipo de equipos y herramientas utilizadas, en los tipos

de estructuras, en los materialescon los que se construyen las redes de distribución y en los

métodos de trabajo de las cuadrillas de construccióny mantenimiento, reflejada también en

la metodología de diseño y operación empleando computadores(programas de gerencia de

redes, software gráfico, etc). Algunos de estos factores de evolución son:

Expansión de la carga.

Normalización de materiales, estructuras y montajes.

Herramientas y equipos adecuados.

Métodos de trabajos específicos y normalizados.

Programas de prevención de accidentes y programas de mantenimiento.

Surgimiento de industrias de fabricación de equipos eléctricos.

Grandes volúmenes de datos y planos.

1 Redes de distribución de energía, Samuel Ramírez Castaño, Manizales publicaciones, Capitulo 1, página 32.

5

2.2. Requisitos que debe cumplir un sistema de distribución.

Aplicación de normas nacionales y/o internacionales.

Seguridad para el personal y equipos.

Simplicidad en la construccion y operación (rapidez en las maniobras).

Facilidades de alimentación desde el sistema de potencia.

Optimización de costos (economía).

Mantenimiento y políticas de adquisición de repuestos.

Posibilidad de ampliación y flexibilidad.

Resistencia mecánica.

Entrenamiento del personal.

Confiabilidad de los componentes.

Continuidad del servicio

Información relacionada con la zona del proyecto (ubicación, altitud, vías de acceso).

Información relacionada con las condiciones climáticas (temperatura, precipitaciones,

velocidad del viento,

contaminación ambiental).

Información particular referente a: requerimentos técnicos de los clientes, ubicación de

cargas especiales

e industriales, plano loteado (que contenga zona residencial, comercial, importancia de

las calles,

ubicación de otras instalaciones, nivel socioeconómico, relación con otros proyectos en

la zona y

características geotécnicas).

Regulación de tensión ( niveles máximos admisibles).

Pérdidas de energía ( niveles máximos admisibles).

Control de frecuencia.

2.3. Diseño del sistema.

El diseño de un sistema de distribución debe incluir:

La localización de la alimentación para el sistema

El conocimiento de las cargas

El conocimiento de las tasas de crecimiento de las cargas

Selección de la tensión de alimentación.

Selección de las estructuras de media tensión y baja tensión.

Localización óptima de subestaciones de distribución (transformadores de distribución).

Diseño del sistema de tierra.

Análisis de corrientes de cortocircuito.

Diseño de las protecciones de sobrecorriente.

Diseño de protección contra sobretensiones

6

2.4. TRASFORMADORES

Se denomina transformador, a un dispositivo eléctrico que convierte la energía eléctrica

alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por

medio de la acción de un campo magnético.2

La Potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin

pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un

pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.

Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí

eléctricamente por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material

ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético

común que se establece en el núcleo.

Las bobinas primaria y secundaria de un transformador están eléctricamente aisladas.

El campo magnético de la primera bobina induce corriente en la segunda bobina. La

corriente resultante en la segunda bobina depende de la fuerza del campo magnético y

del número de vueltas en la bobina. 3

Figura 2 Transformador

2.4.1. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES

SEGÚN SUS APLICACIONES:

Transformador de aislamiento: Suministra aislamiento galvánico entre el alambre

primario y el secundario, por lo cual proporciona una alimentación o señal

"flotante". Su relación es 1:1.

2 Trasformadores, Enrique Ras, Marcombo editorial, Capítulo 3, página 127.

3 Trasformadores, Enrique Ras, Marcombo editorial, Capítulo 3, página 127.

7

Transformador de alimentación. Estos poseen uno o varios alambres secundarios

y suministran las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces

incorporan fusibles no reemplazables, que apagan su circuito primario en caso de

una temperatura excesiva, evitando que éste se queme.

Transformador trifásico. Poseen un trío de bobinados en su primario y un segundo

trío en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) o triángulo (Δ), sus

mezclas pueden ser: Δ - Δ, Δ -Y, Y- Δ y Y-Y. A pesar de tener una relación 1:1, al

pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones se modifican.

Transformador de pulsos: Esta destinado a funcionar en régimen de pulsos debido

a su rápida respuesta.

Transformador de línea o flyback: Estos son transformadores de pulsos. Con

aplicaciones especiales como televisores con TRC (CRT) para generar la alta

tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Entre otras

propiedades, frecuentemente proporciona otras tensiones para el tubo.

Transformador con diodo dividido: Su nombre se debe a que está constituido por

varios diodos menores en tamaño, repartidos por el bobinado y conectados en

serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa

relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del

tubo, sin diodo ni triplicador.

Transformador de impedancia: Usado como adaptador de antenas y líneas de

transmisión, era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la

alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.

Transformador Electrónico: Se caracteriza por ser muy utilizados en la actualidad

en aplicaciones como cargadores para celulares. Utiliza un Corrector de factor de

potencia de utilización imprescindible en los circuitos de fuente de alimentaciones

conmutadas en lugar de circuitos.

Transformador de Potencia: Son los utilizados en las redes de transmisión y

distribución para suministrar energía eléctrica, tienen potencias mayores a 1000

kVA y tensiones superiores a 1000 voltios.

Transformador de Distribución: Son los utilizados en las redes de eléctricas de

distribución para suministrar energía eléctrica directamente a los usuarios,

comúnmente están en los postes cercanos a las casas e industrias, tienen

potencias entre 5 y 1000 kVA y las tensiones primarias son mayores a 1000 voltios

y por el secundario son de 120 v; 240 v y 480 v.

SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN:

Transformador de grano orientado, Auto transformador. El primario y el

secundario constituyen un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un

8

transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220V a 125V y

viceversa y en otras aplicaciones equivalentes.

Transformador toroidal. Son más voluminosos, pero el flujo magnético se confina

en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por

corrientes de Foucault.

Transformador de grano orientado. El núcleo se conforma por una placa de hierro

de grano orientado, que se envuelve en sí misma, siempre con la misma dirección,

en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Las pérdidas son

escasas pero es de alto costo. Estos tipos son los más utilizados, pero existen otros

diversos modelos según el tipo de aplicación a la cual son destinados.

2.4.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Uno de los devanados, denominado primario (ω1), se conecta a la fuente de

corriente alterna cuyo voltaje se necesita variar. La corriente del devanado

primario crea en el núcleo un flujo magnético alterno Φ, que se expresa en Weber

(Wb). El núcleo del transformador se fabrica formando un circuito cerrado de

manera que el flujo en todo su recorrido cruce por dentro del mismo y no se

disperse. El flujo magnético variable Φ induce en el devanado secundario ω2 una

fuerza electromotriz (FEM) variable, cuyo valor depende del número de vueltas de

este devanado y de la velocidad de variación del flujo magnético, según establecen

las leyes de la inducción electromagnética.

Para poder entender como funciona un transformador, un motor eléctrico u otro

dispositivo o máquina eléctrica basada en bobinas, se hace necesario explicar

como se produce el fenómeno de inducción eléctrica y, sobretodo, comprender

como sucede la transferencia de potencia o energía.

Figura 3Flujo Magnético

En el dibujo podemos observar una bobina de N vueltas con un núcleo de aire,

alimentada con una fuente de alimentación Eg de corriente alterna. La bobina

tiene una reactancia y, como tal, absorbe una intensidad Im. Si la resistencia de la

9

bobina es mínima, tenemos que la siguiente ecuación: Im=Eg/Xm , donde Xm

representa la reactancia de la bobina.

La intensidad Im se encuentra desfasada 90° respecto a la tensión Eg, mientras

que el flujo Φ, se encuentra en sintonía con la intensidad. Esto es algo que ocurre

en todos los circuitos inductivos.

La intensidad Im al paso por la bobina, crea una fuerza magnetomotriz o líneas de

fuerzas electromotices que, a su vez, generan un flujo Φ. Al ser la alimentación de

tensión alterna, se genera flujos de pico, es decir, flujos máximos :Φmax y flujos

mínimos Φmin. Pero aquí solamente nos interesan los Φmax.

El flujo, a su vez genera una tensión eficaz E. Tanto la tensión eficaz E y la tensión

aplicada Eg, tienen que ser iguales, porque como se puede observar en el dibujo,

las dos tensiones se encuentran en las mismas líneas de alimentación.

Así tenemos que la ecuación que define las dos tensiones sería:

E=Eg=4,44*f*N*Φmax

Donde f representa la frecuencia; N el número de vueltas de la bobina; y el 4,44

es una constante cuyo valor exacto (para los sibaritas) es= 2*Π/√2.

La ecuación nos explica, que con una tensión Eg constante, el flujo Φ será

constante.

Sin embargo, si introducimos un núcleo de hierro en el interior de la bobina, las

condiciones cambian, algo que resulta muy relevante para la funcionalidad de los

transformadores y sus diversos tipos.

En esta nueva situación, si la tensión Eg se mantiene constante, el flujo Φmax se

matendrá constante y, por tanto, Eg=E. Hasta aquí no hay una diferencia entre

núcleo de aire y el núcleo de hierro. Pero lo que si que cambia, significativamente,

es la Im. Con un núcleo de hierro, la Im disminuye o es más baja. Y esto sucede,

porque se necesita una fuerza magnetomotriz mucho menor para producir el

mismo flujo Φmax.

El funcionamiento del transformador básico.

Hasta ahora hemos analizado como se comporta una sola bobina a la que se le

induce una corriente eléctrica. Ahora vamos a realizar otro análisis para conocer

qué sucede cuando se acoplan dos bobinas magnéticamente, es decir, cómo

funciona un transformador.

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Figura 4 El funcionamiento del transformador básico.

Como podemos observar en el dibujo, tenemos una fuente de alimentación de

tensión o corriente alterna Eg, dos bobinas (una llamada primaria y la otra llamada

secundaria, con N vueltas o espiras, una tensión inducida en la bobina secundaria

que denominamos E2, un flujo total ΦT que es la suma de dos flujos: el flujo mutuo

Φm1 que corresponde al flujo que acopla magnéticamente a las dos bobinas más

el flujo Φf1 que incide únicamente en la bobina primaria.4 La tensión E1 continua

siendo igual a la tensión Eg. Y, también, hemos de indicar que se trata de un

transformador en vacio porque no tiene una carga, además de que las dos bobinas

están con un núcleo de aire. Es lo que se viene a denominar un transformador

básico o elemental.

Las tensiones existentes en el circuito son dos. Entre los puntos 1 y 2 y, entre los

puntos 3 y 4. Esto quiere decir, que entre cualquier otra combinación de puntos

no existe tensión. Así que podemos decir, que las bobinas se encuentran aisladas

en términos eléctricos.

El flujo Φm1 enlaza con su campo magnético las dos bobinas generando de esta

forma una tensión E2. El flujo Φf1 solamente incide sobre las espiras de la bobina

primaria y la podemos denominar como flujo de dispersión. El flujo ΦT es el flujo

total, es decir la suma de los otros dos flujos. En el caso que las bobinas esten muy

separadas, el flujo Φm1 es muy reducido y estaremos hablando de un

acoplamiento de bobinas débil. Sin embargo, si juntamos las dos bobinas, el flujo

Φm1 aumenta respecto al flujo ΦT y abremos conseguido un acoplamiento entre

bobinas óptimo. Esta es la razón, por el cual, en la mayoría de los transformadores

4 La electricidad y sus aplicaciones al alcance de todos, José Roldán Viloria, capitulo 8 pagina

45.

11

industriales se realizan los devanados de las bobinas uno encima del otro, para

conseguir mejorar el acoplamiento.

Falta indicar, que con un acoplamiento débil, no solamente disminuye el flujo

Φm1, también se reduce la tensión E2. Sin embargo, al acercar las dos bobinas, se

aumenta el flujo Φm1 y, por tanto, se aumenta la tensión E2. Así, que la relación

entre el flujo Φm1 y la tensión E2 es proporcional.

El coeficiente de acoplamiento. El acoplamiento entre las bobinas primaria y

secundaria es una medida física y, por lo tanto, se puede calcular. El cálculo se

realiza con la siguiente ecuación:

K=Φm1/ΦT ;en donde K es el coeficiente y no tiene unidades.

3. EJEMPLOS PRÁCTICOS

Una planta industrial absorbe 100A, con un factor de potencia de 0.7 inductivo, del secundario de un banco de transformadores de distribución de 2300/230 V, 60KVA, Y-Δ a) Potencia activa consumida por la planta, en KW, y la potencia aparente en kVA b) Corrientes nominales secundarias de fase y de línea del banco de transformadores c) Porcentaje de la carga en cada transformador d) Intensidades primarias de fase y de línea absorbida por cada transformador e) Potencia nominal en kVA, de cada transformador.

a) 𝑃𝑇 =√3𝑉𝐿𝐼𝐿𝑐𝑜𝑠𝜃

1000=

1.73∗230∗100∗0.7

1000= 28𝑘𝑊

𝑘𝑉𝐴𝑟 =𝑃𝑟

𝑐𝑜𝑠𝜃=

28𝑘𝑊

0,7= 40𝑘𝑉𝐴

b) 𝐼𝑓2 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 =𝑘𝑉𝐴∗1000

3𝑉𝑓=

60𝑘𝑉𝐴∗1000

3∗230𝑉= 87 𝐴

𝐼𝑓2 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = √3𝐼𝑓2 = 1,732 ∗ 87𝐴 = 150𝐴

c) 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙í𝑛𝑒𝑎

𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 =

100𝐴

150𝐴= 0.67 ∗ 100 = 67%

d) 𝐼𝑓1 = 𝐼𝐿1 =𝑘𝑉𝐴∗1000

3𝑉𝐿=

49𝑘𝑉𝐴∗1000

1,732∗2300𝑉= 10𝐴

e) 𝑘𝑉𝐴/𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟 =𝑘𝑉𝐴𝑟

3=

60𝑘𝑉𝐴

3= 20𝑘𝑉𝐴

3.1. EFICIENCIA

Existe una oportunidad cierta de lograr ahorros de energía eléctrica al momento de

realizar la selección de estos equipos, y siempre es muy conveniente que el cliente

desarrolle actividades de ingeniería de proyectos para escoger el equipo más adecuado

a sus necesidades reales. Esto se debe a que algunos “expertos” en el área de

ingeniería eléctrica no consideran los aspectos básicos de eficiencia energética en las

instancias de selección de transformadores.

Los transformadores de distribución están presentes en todas las instalaciones industriales y comerciales. Ellos permanecen conectados de forma continua y es poca la información que se tiene respecto de sus rendimientos, quizás debido a que es poca la injerencia que tiene el usuario respecto de estos equipos.

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Un transformador de distribución normal tiene pérdidas debido a varias razones:

Pérdidas en el devanado primario (I²R). Pérdidas en el devanado secundario (I²R). Pérdidas de magnetización (función de frecuencia y del hierro del núcleo). Pérdidas de origen dieléctrico (por el medio aislante,

aceite por ejemplo). Pérdidas de tipo parasitarias (asociadas a corrientes

parásitas).

La expresión de las pérdidas de un transformador, para una carga x cualquiera será:

𝜂 =𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎=

𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 + 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠=

𝑥 ∗ 𝑆 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜃

𝑥 + 𝑆 + 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 + 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 + 𝑥2 ∗ 𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

5

Donde:

𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = potencia requerida por la carga conectada al transformador 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = potencia absorbida de la red 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = potencia de perdidas interiores del transformador

𝑥 = grado de carga del transformador

𝑃𝑐𝑜𝑠𝑛𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = perdidas que están presentes en todo momento en el transformador, independiente del grado de carga que se conecte a sus terminales. 𝑃𝑐𝑎𝑔𝑎 = perdidas de Joule en el interior del transformador por circulación de la

corriente por ambos devanados.

Esta expresión muestra que la eficiencia depende de la potencia de la carga que se conecte, su factor de potencia y las pérdidas propias del transformador (de vacío y de plena carga). Esta eficiencia no será constante para todos los grados de carga conectada, y alcanzará su máxima eficiencia en un grado de carga tal que las pérdidas de vacío igualen a las pérdidas de plena carga, según la expresión:

𝑥𝑚𝑎𝑥 = √𝑃𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜

𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

Normalmente, la máxima eficiencia se logra para cargas menores a la potencia nominal del transformador. Como ejemplo, para un transformador de 100 kVA, con pérdidas de vacío del orden de 0,9 kW y pérdidas con carga de 2,5 kW, con una carga conectada de potencia variable, pero de factor de potencia 0,7 inductivo constante, la evaluación de la expresión anterior de eficiencia máxima entrega valores del orden:

5 Trasformadores de distribución, Pedro Pérez, Reverté editorial, capitulo 4 página 95.

13

𝑥𝑚𝑎𝑥 = √𝑃𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜

𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎= √

0.9

2,5= 0.6[𝑝. 𝑢. ] = 60%

Esto significa que el transformador logrará su máxima eficiencia (95,89%) cuando la carga conectada sea de 60% • 100 kVA = 60 kVA @ cos f = 0,7 inductivo. Nótese también que la eficiencia dependerá tanto de la potencia como del factor de potencia de la carga conectada.

La gráfica de eficiencia para varios grados de carga se muestra a continuación:

Figura 5Eficiencia de un transformador de 100kVA

Ahora, supongamos que se tienen dos transformadores, A y B respectivamente, y ambos tienen las mismas pérdidas totales de 2 kW, pero con los siguientes detalles:

Transformador A:

P vacío = 1 kW

P carga = 1 kW

máximo = 98,04%

Transformador B: P vacío = 0,3 kW P carga = 1,7 kW

máximo = 98,04%

Como se observa, ambos tienen la misma eficiencia máxima de 98,04% con factor de potencia unitario, excepto que el transformador A tiene esa eficiencia máxima a un grado de carga plena (x = 1), mientras que en el caso del transformador B, esta eficiencia máxima ocurre a un grado de carga de:

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𝑥𝑚𝑎𝑥 = √𝑃𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜

𝑃𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

= √0.3

1,7= 0.42[𝑝. 𝑢. ] = 42%

A este grado de carga, el transformador B tiene una eficiencia de 98,59%. La eficiencia máxima del transformador A en este mismo punto de carga será del 97,28%. Entonces, podemos inferir que el transformador A tiene un núcleo de más pérdidas por kg de hierro que la unidad B a una densidad de flujo dada, pero el transformador B tiene menos cobre en sus devanados que el transformador A, y trabaja a una densidad de corriente de mayor valor. Estas consideraciones y la estimación del grado de carga del transformador, arrojarán criterios que permitirán saber cuál es la mejor opción, de modo que la elección no pase sólo por el precio de compra, sino que también por los costos de operación de cada equipo en evaluación, que pueden llegar al cabo de algunos meses a ser del orden del precio de compra del transformador.

3.2. TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCION Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos. Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas. Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales. Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.

Características Generales: Se fabrican en potencias normalizadas desde 25 hasta 1000 kVA y tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV. Se construyen en otras tensiones primarias según especificaciones particulares del cliente. Se proveen en frecuencias de 50-60 Hz. La variación de tensión, se realiza mediante un conmutador exterior de accionamiento sin carga.

Figura 6Transformador de distribución en un poste eléctrico

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3.2.1. Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi Descripción: Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de transformadores refrigerados en aceite. Son de aplicación en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.

Características Generales: Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA,tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.

Figura 7 Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi

3.2.2. Transformadores Herméticos de Llenado Integral Descripción: Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Características Generales: Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.

16

Figura 8Transformadores herméticos de llenado integral

3.2.3. Transformadores Rurales Descripción: Están diseñados para instalación monoposte en redes de electrificación suburbanas monofilares, bifilares y trifilares, de 7.6, 13.2 y 15 kV. En redes trifilares se pueden utilizar transformadores trifásicos o como alternativa 3 monofásicos.

Figura 9 Transformadores rurales

3.2.4. Transformadores Subterráneos Aplicaciones

Transformador de construcción adecuada para ser instalado en cámaras, en cualquier nivel, pudiendo ser utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier naturaleza.

Características

Potencia: 150 a 2000KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 216,5/125;220/127;380/220;400/231V

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Figura 10Transformadores subterráneos

3.2.5. Transformadores Auto Protegidos

Aplicaciones

El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución contra sobrecargas, corto-circuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto poseee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión. Para protección contra sobretensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque.

Características

Potencia: 45 a 150KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 380/220 o 220/127V

Figura 11Transformadores auto protegido

18

3.2.5. AUTOTRANSFORMADORES Los autotransformadores se usan normalmente para conectar dos sistemas de transmisión de tensiones diferentes, frecuentemente con un devanado terciario en triángulo. De manera parecida, los autotransformadores son adecuados como transformadores elevadores de centrales cuando sé desea alimentar dos sistemas de transporte diferentes. En este caso el devanado terciario en triángulo es un devanado de plena capacidad conectado al generador y los dos sistemas de transporte se conectan al devanado, autotransformador. El autotransformador no sólo presenta menores pérdidas que el transformador normal, sino que su menor tamaño y peso permiten el transporte de potencias superiores.

Figura 12 Transformadores

3.2.6. TRANSFORMADOR DE CORRIENTE TT/CC

Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Ciertos tipos de transformadores de corriente protegen a los instrumentos al ocurrir cortocircuitos.

Los valores de los transformadores de corriente son:

Carga nominal: 2.5 a 200 VA, dependiendo su función.

Corriente nominal: 5 y 1A en su lado secundario. se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de corriente podrían ser: 600/5, 800/5, 1000/5.

Usualmente estos dispositivos vienen con un amperímetro adecuado con la razón de transformación de los transformadores de corriente, por ejemplo: un transformador de 600/5 está disponible con un amperímetro graduado de 0 - 600A.

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Figura 13 Transformadores de corriente

3.2.7. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL TT/PP Es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados. Además, puesto que el objetivo principal es el muestreo de voltaje deberá ser particularmente preciso como para no distorsionar los valores verdaderos. Se pueden conseguir transformadores de potencial de varios niveles de precisión, dependiendo de que tan precisas deban ser sus lecturas, para cada aplicación especial.

Figura 14Transformadores de potencia

3.2.8. OTROS TRANSFORMADORES

Transformadores para hornos Los transformadores para hornos suministran potencia a hornos eléctricos de los tipos de inducción, resistencia, arco abierto y arco sumergido. Las tensiones secundarias son bajas, ocasionalmente menores de 100 V, pero generalmente de varios centenares de Volts. La gama de tamaños varía desde algunos kVA a más de 50 MVA, con corrientes en el secundario superiores a 60 000 A. Las corrientes elevadas se obtienen conectando en paralelo muchas secciones de devanado. La corriente es recogida por barras internas y llevada a través de la tapa del transformador mediante barras o mediante bornes de gran corriente.

Transformadores especiales

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Los transformadores especiales de aplicación general son transformadores de distribución de tipo seco que generalmente se usan con los primarios conectados a los circuitos de distribución de baja tensión, para alimentar cargas de alumbrado y pequeñas cargas a tensiones todavía más bajas. Existen transformadores para tensiones del primario de, 120, 240, 480 y 600 V, con potencias nominales comprendidas entre 25 VA y 500 kVA, a 60 Hz.

Figura 15 Transformadores especiales

Los transformadores de control son transformadores de aislamiento de tensión constante y tipo seco. Generalmente se usan con los devanados primarios conectados a circuitos de distribución de baja tensión de 600 V o menos. La elección adecuada de un transformador de control facilitará la alimentación con la potencia correcta a tensión reducida para cargas de alumbrado y de control hasta 250 VA.

Figura 16 transformadores de control

4. EXPERIENCIAS VIVIDAS

En la gira técnica a la hidroeléctrica Agoyan se pudo conocer la producción de este tipo de

energía como es la electricidad, desde el embalse hasta el transformador donde parte para

el tendido eléctrico. La generación de energía es alrededor de 156 MW, se utiliza

transformadores para reducir el voltaje y distribuir por las diferentes líneas de transmisión

(tendido eléctrico) ya que esta energía es utilizada para alimentar gran parte del país. Los

transformadores de distribución se usa a gran escala por lo que se necesita transportar dicha

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energía a largas distancias, estas líneas de transmisión deben soportar corriente que se

transporta.

5. PUNTOS DE VISTA; LOCAL, REGIONAL, NACIONAL Y MUNDIAL

El gobierno ha ido incentivando nuevos proyectos para generar energía para el gasto

energético de todo el país, sin embargo se debería estudiar en gran parte en los

transformadores de distribución, porque es ahí donde existen perdidas de energía, por su

gran uso, no solo en un determinado punto del circuito, sino desde la generación hasta que

llega dicha energía a nuestras casas o industria.

El mundo tiene una fuerte dependencia de la energía eléctrica. No es imaginable lo que

sucedería si esta materia prima esencial para mover el desarrollo de los países llegase a

faltar. Está fuera de cualquier discusión la enorme importancia que el suministro de

electricidad tiene para el hombre hoy, que hace confortable la vida cotidiana en los hogares,

que mueve efectivamente el comercio y que hace posible el funcionamiento de la industria

de la producción.

Un sistema eléctrico de potencia tiene como finalidad la producción de energía eléctrica en

los centros de generación y transportarla hasta los centros de, para ello, es necesario

disponer de la capacidad de generación suficiente y entregarla con eficiencia y de una

manera segura al consumidor final, teniendo en cuenta la ubicación y dimensionamiento

óptimo de transformadores en sistemas de distribución de redes de alta, mediana y baja

potencia.

6. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Dentro de las ventajas de usar trasformadores de distribución es que permiten elevar el voltaje obtenido en los generadores de energía; para luego llevar la misma a grandes distancias con conductores delgados. La inducción magnética nos permite acoplar varias etapas evitando el contacto físico de las mismas. Los transformadores permiten llevar potencia para diversos usuarios es decir para la industria, el comercio y las casas. La desventaja de los trasformadores es que emiten un sonido un tanto perturbador para el oído humado por el cambio de sentido del flujo en sus bobinados. El diseño y dimensionamiento así como la ubicación de los trasformadores requiere minuciosos análisis y cálculos, además se debe tener en cuenta un escalamiento para un futuro. Los trasformadores presentan perdidas por las características de los materiales que poseen, además son propensos a calentarse lo que reduce su vida útil.

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Los campos electromagnéticos son rara vez tenidos en cuenta como factores de contaminación en el área de la construcción, pese a las evidencias de sus efectos sobre la vida y, en especial, sobre la salud humana. Toda corriente eléctrica produce campos magnéticos y todo campo magnético variable induce campos eléctricos. Sin embargo, un campo magnético estático puede producir una corriente eléctrica en un cuerpo si éste se mueve a través del campo. De esa forma los campos magnéticos artificiales, mucho más intensos que los naturales, pueden alterar los procesos biológicos. La abundancia de artefactos eléctricos y aparatos electrónicos, así como los medios de transmisión de electricidad y radiofrecuencias, han hecho de nuestra civilización tecnológica un pandemónium de campos electromagnéticos de todo tipo. Los continuos avances tecnológicos hacen que la incidencia de este tipo de contaminación vaya en aumento. La tecnología genera campos electromagnéticos en todas las frecuencias e intensidades. Después de largas polémicas, investigaciones realizadas en todo el mundo han demostrado que las alteraciones biológicas debidas a la acción de campos electromagnéticos artificiales intensos, tanto de alta frecuencia (antenas de radio, TV, microondas, radar, etc.) como de baja frecuencia (líneas de alta tensión, pantallas de televisores y computadoras, transformadores, etc.) pueden producir cambios en la temperatura corporal, desequilibrio en los electrolitos de la sangre, dolor muscular en las articulaciones, dificultad en la percepción de los colores, fatiga, inapetencia, disfunciones en el sistema nervioso central, estrés, disminución de la cantidad de plaquetas en la sangre, etc.. Los campos electromagnéticos débiles como los generados por una instalación eléctrica de 220 V y 50 Hz, pueden provocar tensión nerviosa y alterar el equilibrio de grasas y colesterol en la sangre, aumentar la producción de cortisona y subir la presión sanguínea, lo que puede desembocar en trastornos cardiacos, renales, gastrointestinales, nerviosos y otros. Las radiaciones electromagnéticas de baja intensidad que emiten los aparatos eléctricos, así como los provenientes de una mala instalación eléctrica en viviendas o lugares de trabajo, pueden tener una incidencia desfavorable en el desarrollo de cáncer, afectar las funciones reproductoras, provocar alergias y depresiones.

7. CONCLUSIÓN

El problema del Planeamiento de Sistemas de Distribución es considerado de gran complejidad matemática debido a que es un problema no lineal entero mixto con muchas restricciones y para el cual no existe una técnica eficiente que lo resuelva. Esto ha hecho que los investigadores planteen diversas estrategias para darle solución. El logro de este objetivo requiere grandes inversiones de capital, de complicados estudios

y diseños, de acuerdo a normas nacionales e internacionales muy concretas, de un riguroso

planeamiento, del empleo de una amplia variedad de conceptos de Ingeniería Eléctrica y de

tecnología de punta, de la investigación sobre materiales más económicos y eficientes, de

un buen procedimiento de construcción e interventoría y por último de la operación

adecuada con mantenimiento riguroso que garantice el suministro del servicio de energía

con muy buena calidad.

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8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Redes de distribución de energía, Samuel Ramírez Castaño, Manizales publicaciones,

Capitulo 1, página 32.

Trasformadores de distribución, Pedro Pérez, Reverté editorial, capitulo 4 página 95.

Trasformadores, Enrique Ras, Marcombo editorial, Capítulo 3, página 127.

Electricidad Industrial, José Solé, Reverté editorial, Capítulo 4, página 259.

La electricidad y sus aplicaciones al alcance de todos, José Roldán Viloria, capitulo 8

pagina 45.