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TRANSFORMADORES DE POTENCIA

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TRANSFORMADORES DE POTENCIATRANSFORMADORES DE POTENCIA

Es un dispositivo eléctrico que:1. Transforma energía eléctrica de un circuito

a otro sin variar la frecuencia.2. Opera bajo el principio de inducción

electromagnética.3. Tiene dos circuitos eléctricos aislados

entre si pero eslabonados mediante un circuito magnético común.

4. Usualmente opera cambiando el voltaje.

TRANSFORMADORES DE POTENCIATRANSFORMADORES DE POTENCIAUsualmente se considera un transformador de potencia cuando su capacidad es de un valor a partir de: 500 KVA, 750 KVA, 1000 KVA, 1250 KVA o 1.25 MVA, hasta potencias del orden de 500 MVA monofásicos y de 650 MVA trifásicos, 900 MVA. Estos últimos operan en niveles de voltaje de 500 KV, 525 KV y superiores

POTENCIA NOMINALLa potencia nominal de un transformador es el valor convencional de potencia aparente que sirve de bas para su diseño, las pruebas y las garantías del fabricante, que determinan la corriente nominal que circula a tensión nominal en las condiciones específicas.

Características eléctricas de los transformadores

de potencia.

CORRIENTE NOMINALEs la corriente que circula en la terminal de línea de losDevanado. Transformadores monofásicos (fase a neutro) obifásicos (fase a fase):

Donde:Pnt = Potencia nominal del transformador enkVA.Vn t = Tensión entre las terminales de línea deltransformador en kV.

Frecuencia nominal:Es la frecuencia con la cual se determinarán todos los parámetros eléctricos del transformador y debe ser la misma que la de la red de energía donde el transformador va a conectarse y operar.

PÉRDIDASLas pérdidas y la potencia absorbida por el transformador se disipa en forma de calor por los devanados primario y secundario (terciario en su caso) ytambién por el núcleo de fierro.

ABACO PARA LA DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO EN TRANSFORMADORES.

Es un ábaco que permite que se calcule el rendimiento de transformadores tomando como base la fracción de carga que está conectada a su devanado secundario, las pérdidas en el núcleo (fierro) como porcentaje de esta potencia.

Por ejemplo, para un transformador de 500 kVA que opera al 50% de su capacidad nominal, que tiene como pérdidas en el núcleo (vacío) Po = Pfe = 1900W y pérdidas en el cobre: Pcu= 4300 W, estas pérdidas como porcentaje de la potencia nominal valen:

Parte Activa

Es formada por un conjunto de elementos separados del tanque principal y se agrupan en los siguientes elementos:

Núcleo

Bobinas


Núcleo

Es el medio físico por el cual circula el flujo magnético formado por las líneas de fuerza.

Debe ser construido con material magnético de la mas alta permeabilidad, generalmente fabricado con láminas de acero al silicio de grano orientado, cortado y rolado automáticamente.

La calidad comercial es del tipo M4(esto es 0.4 watts por libra a 15,000 líneas de fuerza por cm2) o tipo M6 y otros grado AISI..


Núcleo

La sección de los núcleos es rectangular para transformadores pequeños y cruciforme para tamaños grandes.

Los núcleos se fabrican utilizando cortes a 45° en láminas externas y al centro de los yugos, para mejorar la eficiencia de los transformadores al no utilizar traslapes de láminas , evitando flujos magnéticos dispersos.


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Núcleo


Núcleo


Núcleo

Cada una de las piernas están sujetas con flejes de acetato de celulosa, lo que permite tener un bajo nivel de ruido .

Todo el conjunto queda soportado y presionado por un bastidor o herraje de placa de acero de 16mm. (5/8”) de espesor.


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Núcleo


Núcleo

Los herrajes se diseñan para soportar los esfuerzos de corto circuito y sobre cargas a los cuales son sometidos los devanados durante su vida útil.

Estos herrajes contienen placas de apriete, lo cual permite presionar en forma individual cada bobina.

-TRANSFORMADORES DE POTENCIA-TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Núcleo

El núcleo puede ir unido a la tapa y levantarse con ella, o pude ir unido a la pared del tanque, lo que produce mayor resistencia durante las maniobras mecánicas de transporte.

En los núcleos magnéticos de los transformadores tipo columna se distinguen dos partes:

Las columnas o piernas

los yugos


Núcleo

En las columnas se alojan las devanados y los yugos se unen entre si a las columnas para cerrar el circuito magnético

Los núcleos de las bobinas son armadas en forma que son desmontables para poder meter o sacar las bobinas de las columnas para efectos de mantenimiento


Núcleo

En los transformadores de gran potencia, en las laminaciones destinadas a formar las columnas, se hacen agujeros en los que se colocan tornillos pasantes que se aíslan con tubos de papel, cartón o baquelita y se sujetan a tuercas con roldanas aislantes para evitar corrientes inducidas que generen calentamientos inadmisibles.

Las secciones de las columnas determinan de forma automática las secciones de los núcleos


Núcleo

Por razones de tipo económico y para equilibrar esfuerzos electrodinámicos que se puden presentar entre conductores, los devanados se construyen en forma casi circular.

Esto requiere que las columnas del núcleo debe tener sección circular, como no es prácticamente realizable se busaca aproximarse haciendo la sección de la columna en escalones.(entre mas escalones mas costo)

Para transformadores pequeños se pude aceptar la sección cuadrada o cruciforme.


Núcleo


Núcleo

Los yugos pueden ser rectangulares o escalonados solo para mejorar el enfriamiento.

En transformadores grandes, se hace de columnas con un elevado número de escalones con el objeto de obtener un mayor factor de utilización geométrica de la sección.

A mayor capacidad del transformador, mayor es el número de escalones, pudiendo llegar a ser de 10 o 12 escalones.


Núcleo

El núcleo determina características relevantes dependiendo de su forma, pudiendo ser:

Núcleo tipo columna

Núcleo tipo acorazado


Núcleo

Tipo Columna:Núcleo monofásico: Se tienen dos columnas unidas en la parte inferior y superior por un yugo. En cada una de estas columnas se encuentran incrustados la mitad del devanado primario y la mitad del devanado secundario.


Núcleo

Tipo Columna:Núcleo trifásico: Se tienen tres columnas dispuestas sobre el mismo plano unidas en su parte superior e inferior por yugos. Sobre cada columna se incrustan los devanados primario y secundario de una fase.

Las corrientes magnetizantes de las tres fases son distintas entre si, el circuito magnético de las columnas es mas largo que el correspondiente de las internas.(en vacío)


Núcleo


Núcleo

Tipo Acorazado:

La dispersión magnética es menor que en los tipo columna

Su uso mas común es en los transformadores monofasicos

Los devanados se colocan en la columna central


Devanados o Bobinas

Constituyen el circuito eléctrico del transformador

Se construyen utilizando alambre o solera de cobre o de aluminio

Los conductores se forran de material aislante que puede tener diferentes características de acuerdo con la tensión de servicio. La temperatura y el medio en que van a estar sumergidos.


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Devanados o Bobinas

Las normas no establecen condiciones especificas quedando en manos de los diseñadores el adoptar criterios que vayan de acuerdo con la capacidad y tensión y que incidan en la forma de las bobinas.

Los transformadores deben ser lo suficientemente robustos para que puedan soportar los esfuerzos mecánicos debido a un corto circuito.


Devanados o Bobinas

Cuando un transformador esta en operación, la corriente en uno de los devanados fluye en sentido opuesto a la corriente en el otro devanado, esta condición combinada con el hecho de que las bobinas se encuentran colocadas en campo magnético de dispersión, da como resultado que las bobinas estén sujetas a fuerzas mecánicas de autorrepulsión, siendo de poco valor cuando el transformador tiene corrientes de carga, sin embargo cuando esta en condiciones de corto circuito la corriente solo esta limitada por la impedancia del transformador.


Devanados o Bobinas

En el proceso de fabricación de los transformadores, se acopla la bobina de alta tensión dentro de la de baja tensión (no necesariamente), con esto se logra que la bobina de alta quede autosoportada por la de baja al actuar ésta como un fleje


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Devanados

Para el devanado de baja tensión casi siempre se utiliza conductor sólido de sección rectangular

cubierto con varias capas de papel hecho a base de celulosa de algodón según

sea el voltaje de operación.

El devanado de alta tensión es por lo general conductor sólido redondo


"SUBESTACIONES ELÉCTRICAS DE POTENCIA"

Devanados o Bobinas

Se instalan separadores, cuñas, tiras y barreras de cartón aislante ó

material similar que aíslen física y

eléctricamente las bobinas entre si y con

el núcleo.

Además forman ductos que permiten la libre circulación del aceite para contribuir a la

dispersión del calor y eliminar puntos

calientes que pueden deteriorar los

aislamientos y a la vez ayuda a reducir el esfuerzo dieléctrico.


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TRANSFORMADORES DE POTENCIATRANSFORMADORES DE POTENCIADevanados o Devanados o BobinasBobinas

Todo el Todo el conjunto se conjunto se hornea en un hornea en un ciclo especial ciclo especial de atmósfera y de atmósfera y temperatura temperatura controlada con controlada con el objeto de el objeto de eliminar al eliminar al máximo la máximo la humedad humedad existente en existente en los los aislamientosaislamientos


Devanados

Se dividen en devanados de:

Alta tensión (Primario)Baja tensión (Secundario)

Las bobinas según la capacidad y tensión del transformador pueden ser

Tipo Rectangular.- para pequeñas potencias

Tipo Cilindrico.- para potencias medianas

Tipo Galleta.- para potencias altas


Bobina Rectangular:

Se instala sobre un núcleo de sección

rectangular

Es la bobina mas barata

Se puede utilizar en transformadores

trifásicos con potencias limitadas hasta 5MVA y tensiones de hasta 68KV


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Bobina Cilíndrica:

Se forma con una serie de discos, con

separaciones de cartón aislante para permitir el flujo de

aceite.

Los discos se instalan sobre un tubo de material

aislante

Cada disco consta de varias vueltas

devanadas en espiral

Se utilizan en transformadores de potencias medianas de hasta 10MVA y !

5KV


Bobinas tipo Galleta

El primario y el secundario se devanan en forma de galletas

rectangulares, colocando las bobinas primaria y secundaria en forma alternada.

Se utilizan en transformadores de tipo acorazado para altas potencias y

altas tensiones (230 o 400KV)


Cambiador de derivaciones

Permite regular la tensión de la energía que fluye de un transformador.

Puede ser operado en forma automática o manual.

Se puede instalar en el lado de alta o baja tensión (Es recomendable instalarlos en el lado de alta tensión

debido a que disminuye el costo).


Cambiador de derivaciones

Se montan directamente en una posición accesible.

Debe asegurar siempre un contacto firme y seguro en cada operación

Se utiliza para efectuar cambios de tensión a voltajes adicionales.


BASTIDOR

• Esta formado de elementos estructurales que rodean al núcleo y las bobinas y soportan los esfuerzos mecánicos y electromecánicos.

PARTE PASIVA

Consiste en el tanque donde se aloja la parte activa. El tanque debe ser hermético, proteger eléctrica y mecánicamente el transformador, soportar los enfriadores, bombas de aceite, ventiladores y los accesorios especiales.

• La base del tanque debe soportar las maniobras, el tanque y los radiadores deben tener el área suficiente para disipar las perdidas de energía a temperaturas menores de 55 ºC.

CLASIFICACION DE ENFRIAMIENTO• Clase OA, enfriamiento por aire. Circulación natural.• Clase FOA, enfriamiento por aceite forzado.• Clase OA/FA/FA, enfriamiento por aceite y enfriamiento

por doble aire forzado.• Clase OA/FA/FOA, enfriamiento por aceite, aire forzado y

aceite forzado.• Clase AA, enfriamiento por circulación natural del aire.• Clase AFA, enfriamiento por aire forzado.• Clase AA/FA, enfriamiento por circulación natural del

aire y enfriamiento con aire forzado.• Clase OW, enfriamiento por agua a través de un

serpentín. Circulación natural• Clase FOW, enfriamiento por circulacion de agua forzada

CLASE OA

CLASE OA/FA

CLASE OA/FA/FA

CLASE OA/FA/FOA

TANQUE CONSERVADOR• Su función es absorber

la expansión de aceite debido a cambios de temperatura, por incrementos de carga. En el conservador no debe permanecer el aceite en contacto con el aire, debido a que este tiene humedad y esto lleva a la oxidación del aceite y a perder sus propiedades dieléctricas.

INDICADOR DE TEMPERATURA DEL ACEITE

Tiene como función detectar la temperatura del aceite y el sensor se encuentra localizado en la parte donde el aceite se encuentra a la temperatura más alta.

MONTAJE DEL INDICADOR DE TEMPERATURA DEL ACEITE

BOQUILLAS

• Son los aisladores que atraviesan el tanque o la tapa del transformador.

TABLERO

• Parte donde se encuentran los controles y protecciones de bombas de aceite, ventiladores, calefacción del tablero.

VÁLVULAS• Se utilizan para el llenado, vaciado,

mantenimiento y muestreo del aceite del transformador

Conectores de tierra•Son de cobre soldadas al tanque, donde se conecta el transformador a tierra.

Placa de características•Lleva los datos como potencia, tensión, % de impedancias, # de serie, diagramas vectoriales y de conexiones, número de fases, frecuencia, etc.Re levadores accionados por gas•Cuando ocurre una falla dentro del tanque de un transformador generalmente se genera gas, generación que es lenta para una falla incipiente y violenta para fallas fuertes. La mayoría de los cortocircuitos que se desarrollan, ya sea por una ruptura debida a los impulsos entre las vueltas adyacentes o como contactos iniciales de punto muy débiles, se calientan inmediatamente hasta la temperatura del arco.

RELEVADORES BUCHHOLZ

El relé tiene dos formas de detección. En caso de una pequeña sobrecarga, el gas producido por la descomposición química del aceite se acumula en la parte de arriba del relé y fuerza al nivel de aceite a que baje. Un switch flotante en el relé es usado para disparar una señal de alarma. Este mismo switch también opera cuando el nivel de aceite es bajo, como en el caso de una pequeña fuga del refrigerante.

En caso de producirse un arco, la acumulación de gas es repentina, y el aceite fluye rápidamente hacia el conservador. Este flujo de aceite opera sobre el switch adjunto a una veleta ubicada en la trayectoria del aceite en movimiento. Este switch normalmente activa un circuito interruptor automático que aísla el aparato antes de que la falla cause un daño adicional.

UBICACIÓN DEL RELEVADOR BUCHHOLZ

VÁLVULA DE SOBREPRESIÓN

Este dispositivo tiene como función aliviar cualquier sobrepresion que se presente dentro del transformador, para evitar daños o deformaciones permanentes en sus componentes. Juega un papel muy importante en la protección de los transformadores y dispositivos a presión que requieren de este tipo de protección ya que estos son llenados con líquido aislante y refrigerante y al ocurrir una falla o corto circuito, el arco eléctrico vaporiza instantáneamente el líquido, produciendo una súbita sobrepresion.

para seleccionar un transformador es necesario conocer las ventajas y

desventajas de cada una de las conexiones mas utilizadas

CONEXIONES EN LOS TRANSFORMADORES

CONEXIÓN ESTRELLA-ESTRELLA

• Aislamiento mínimo.• Cantidad de cobre mínimo.• Circuito económico para baja carga y alto voltaje.• Los dos neutros son accesibles.• Alta capacitancia entre espiras, que reduce los

esfuerzos dieléctricos durante los transitorios debidos a tensión.

• Neutros inestables si no se conectan a tierra.

ESTRELLA-ESTRELLA CON TERCIARIO EN DELTA.• 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.

• Aumenta el tamaño y costo del transformador.

CONEXIÓN DELTA-DELTA (RARAMENTE USADA)

SE UTILIZA EN TENSIONES BAJAS Y MEDIAS• En caso de que a un banco de transformadores 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 tercera armónica.

CONEXIÓN DELTA-ESTRELLA

SE ACOSTUMBRA UTILIZAR EN TRANSFORMADORES ELEVADORES DE TENSIÓN.

• Al aterrizarse el neutro del secundario se aislan las corrientes de 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.

CONEXIÓN ESTRELLA-DELTASE ACOSTUMBRA UTILIZAR EN TRANSFORMADORES

REDUCTORES DE TENSIÓN.

• No se puede conectar a tierra el lado secundario.

• Se eliminan los voltajes de tercera armónica porque la corriente magnetizante de tercera armónica se queda circulando dentro de la delta del secundario.

CONEXIÓN T-T (RARAMENTE USADA)Solo se utiliza en casos especiales en que se alimenten cargas tri, bi y monofásicas juntas.

• Comportamiento semejante a la conexión estrella-estrella.

• Tiene ambos neutros disponibles.• Los voltajes y las corrientes de tercera armónica

pueden ocasionar problemas.• Se necesitan dos transformadores monofásicos para

la conexión.• La capacidad debe ser 15 % mayor que la carga por

alimentar.

CONEXIÓN ZIG-ZAG Se utiliza en transformadores de tierra

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

CONEXIÓN AUTOTRANSFORMADOR Se utilizan cuando la relación de transformación

es menor de dos. Son más baratos que los transformadores equivalentes.

• Menor tamaño, peso y costo.• Como la impedancia entre el primario y secundario

es menor que en un transformador, se presenta una posibilidad mayor de fallas.

• Debido a que solo existe una bobina, el devanado de baja tensión también debe soportar las sobretensiones que recibe el devanado de alta tensión.

• Las conexiones en el primario y secundario deben ser siempre iguales o sea estrella-estrella o delta-delta; estas últimas no son usuales.

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