Transformadores trifásicos de tres columnas, Schemes and Mind Maps of Risk Analysis

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Los transformadores trifásicos más habituales suelen ser de tres columnas (ver Figs. ). El núcleo magnético de estos transformadores tiene tres columnas de igual sección e igual a la de los yugos. Sobre cada columna se bobinan (uno sobre el otro con una capa de aislamiento intermedia) los dos devanados (primario y secundario) de una de las fases. Las tres fases del primario se conectan entre sí en estrella, en triángulo o mediante una conexión especial denominada zig-zag que se estudiará más adelante. Análogamente sucede con las tres fases del secundario. Fig. : Transformadores trifásicos de tres columnas

También existen otros tipos de transformadores trifásicos: de cinco columnas (con dos columnas adicionales sin devanados a ambos lados del núcleo magnético) y acorazados. En una red trifásica, además de un transformador trifásico, también se puede utilizar un banco de tres transformadores monofásicos. Los primarios de los tres transformadores monofásicos se pueden conectar en estrella o en triángulo y lo mismo pasa con los secundarios. La Fig. muestra la sección de una de las columnas de un transformador trifásico. En ella se aprecia como está construida a base de apilar chapas de acero de pequeño espesor y que, en este caso, tiene una sección escalonada y no rectangular, a diferencia de los transformadores de la Fig a. Esta forma escalonada para las columnas se adopta en transformadores a partir de cierta potencia, ya que proporciona a las espiras de los bobinados una forma más próxima a la circular, que es la que permite soportar mejor los esfuerzos mecánicos a los que se ven sometidas si se producen cortocircuitos. Fig.a : sección rectangular De acuerdo a la potencia,lugar de montaje ,etc se pueden usar dos tipos de transformadores :  Transformadores secos.  Transformadores en baño de aceite. Fig. : Detalle de la columna de un transformador trifásico

Hoy en día se utilizan bastante los transformadores secos encapsulados en resina epoxi, en los cuales el devanado de alta tensión está totalmente encapsulado en una masa de resina epoxi. Estos transformadores son muy seguros al no propagar la llama y ser autoextinguibles. Para potencias altas tradicionalmente se han empleado los transformadores en baño de aceite (ver Fig.), los cuáles tienen su parte activa (núcleo magnético y devanados) en el interior de una cuba llena de aceite mineral o aceite de siliconas. En estos transformadores el aceite realiza una doble función: aislante y refrigerante. El calor generado por la parte activa del transformador se transmite al aceite y este evacua el calor al aire ambiente a través de la superficie externa de la cuba. Para facilitar la transmisión de calor a través de la cuba ésta posee aletas o radiadores que aumentan su superficie externa. En algunos casos el aceite es refrigerado por otro fluido (por ejemplo, agua) a través de un intercambiador de calor. Las Fig. de la derecha muestran los transformadores secos. En ellos el calor generado durante el funcionamiento de la máquina se evacua hacia el aire circundante a través de su superficie externa ( ver apuntes Procesos Constructivos ). Transformador seco

OFAF

Transformador seco

En su forma clásica, la cuba de un transformador en baño de aceite posee un depósito de expansión o conservador en su parte superior (ver Figs.). Este depósito, en forma de cilindro horizontal, sirve para absorber las variaciones de volumen del aceite de la cuba provocadas por el calentamiento de la máquina cuando está funcionando. Además, de esta manera se reduce la superficie de contacto entre el aceite y el aire, lo que alarga la vida útil del aceite. Por otra parte, la entrada de aire al depósito de expansión suele realizarse a través de un pequeño depósito de silicagel o gel de sílice que lo deseca, mejorando así la conservación del aceite de la cuba. En efecto, el gel de sílice es una sustancia que se presenta en forma de bolitas y que muestra una gran capacidad para absorber la humedad del aire. El depósito de expansión incluye un nivel de aceite, que consiste en una ventana o en un tubo de cristal que permite vigilar que el nivel del aceite es el adecuado. Fig.^ :^ Transformadores en baño de^ aceite Diferentes tipos de gel de sílice/silicagel con diversas estructuras del poro, pueden algunos llegar a absorber hasta un 40% de su propio peso en agua

Aspectos constructivos: trafos trifásicos

Transformadores en

baño de aceite

Aspectos constructivos: trafos trifásicos

5000 kVA

Baño de

aceite

2500 kVA

Baño de aceite

1250 kVA

Baño de aceite

10 MVA

Sellado con N 2

10 MVA

Sellado con N 2

En la parte superior del depósito de expansión está el tapón de llenado del aceite (verFigs.), mientras que en la parte inferior de la cuba se encuentra el grifo de vaciado. Fig.: Elementos de un transformador en baño de aceite: Los bornes de los transformadores de media tensión se sacan al exterior de la cuba a través de aisladores pasantes o pasatapas de porcelana (Figs. b y c), que son tanto más altos cuanto mayor es la tensión que deben soportar. Los transformadores usualmente disponen de un conmutador o regulador de tensión (Fig. d) que permite modificar ligeramente la relación de transformación de la máquina (normalmente ± 5 %) para adaptarla a las necesidades concretas de cada aplicación. Estos conmutadores pueden ser sin tensión (se deben accionar con el transformador desconectado) o bajo carga (pueden accionarse con el transformador con tensión y con carga). a) Grifo de vaciado b) Aislador pasatapas de A.T. (^) c) Aislador pasatapas de B.T. (^) d) Mando del conmutador de tensiones

Los transformadores en baño de aceite suelen incorporar varios elementos de protección: por temperatura, por nivel de aceite, relé Buchholz,.... El relé Buchholz detecta las burbujas de gas que se producen cuando se quema el aceite debido a un calentamiento anormal del transformador. Por lo tanto, este relé permite proteger al transformador de sobrecargas, cortocircuitos, fallos de aislamiento, etc. Hoy día los transformadores en baño de aceite son frecuentemente de llenado integral , en los cuáles la cuba es hermética y está completamente llena de aceite. La deformación de los pliegues de la cuba absorbe las presiones debidas a las dilataciones del líquido debidas al calor.

Los sistemas de aislamiento usados en transformadores de potencia pueden ser :  Líquidos: Los sistemas líquidos incluyen aceite, que es el más usado.  Gaseosos: Los sistemas gaseosos incluyen nitrógeno, aire y gases fluorados (por ejemplo, exafluoruro de azufre). Los gases fluorados se usan para evitar la combustibilidad y limitar los efectos secundarios de defectos internos.  y sólidos : Según la construcción, puede utilizarse el aislamiento de capas o el aislamiento de bobinas entre las distintas secciones de los devanados. El aislamiento de espiras se aplica a cada cable del conductor o a grupos de cables que formen una espira única. El aislamiento que separa el devanado de alta tensión del devanado de baja tensión, soporta la tensión más elevada y ocupa el espacio más limitado; por esta razón, generalmente funciona con las solicitaciones más elevadas. Transformadores con aislamiento de aceite : El bajo costo, la elevada rigidez dieléctrica y la posibilidad de recuperación aun después de estar sometidos a solicitaciones dieléctricas excesivas, hacen del aceite mineral el material aislante más ampliamente usado en transformadores. El aceite se refuerza con aislamientos sólidos de varias maneras; generalmente presenta barreras de aislamiento sólido alternando con espacios con aceite. El esfuerzo sobre el aceite es del 50 al 100% superior que el esfuerzo sobre el aislamiento sólido, debido a la constante dieléctrica relativamente baja del aceite. Por consiguiente, la solicitación del aceite limita la rigidez de la estructura. Los pequeños conductos de aceite pueden soportar solicitaciones más altas que los grandes conductos. Así barreras sólidas, convenientemente espaciadas, permiten una mejor utilización del espacio.

El aislamiento entre bobinas adyacentes generalmente es sólido , para proporcionar un soporte mecánico y dar una rigidez dieléctrica relativamente elevada respecto a las tensiones transitorias elevadas de corta duración. El aislamiento sólido a veces se usa entre capas de un devanado o entre devanados. El aislamiento sólido de gran espesor se usa en los terminales de alta tensión en zonas de concentración de esfuerzos dieléctricos. La constante dieléctrica relativamente elevada del material sólido hace que la solicitación del sólido sea sólo la mitad o las dos terceras partes de la que habría si el aceite ocupara el mismo espacio. La mayoría de materiales de aislamiento sólido usados en los transformadores de potencia son porosos, permitiendo eliminar, mediante el vacío, los gases y agua vaporizada, así como conseguir el relleno de todas las cavidades e intersticios con aceite (ver apuntes de máquinas asincrónicas – tratamiento de vacío). Cualquier pequeña cantidad de gas dejada inadvertidamente en el campo dieléctrico sufre una elevada solicitación dieléctrica (dos veces la que tendría el aceite) debido a la baja constante dieléctrica del gas. Como el gas encerrado, además de estar sometido a esfuerzos dieléctricos elevados, tiene una rigidez dieléctrica baja como consecuencia se tiene una pérdida importante de rigidez dieléctrica. Los materiales sólidos usados frecuentemente, incluyen el papel impregnado con aceite, el papel impregnado con resinas, el cartón prensado, el algodón, la madera tratada con aceite al vacío y los esmaltes. Las pérdidas en los devanados, en el núcleo, y en otros elementos motivan el calentamiento del transformador, los cuales, hemos de evitar. Los principales medios refrigerantes que se utilizan, en contacto con los arrollamientos, son el aire y aceite mineral. El uso del aceite, frente al aire, está justificado dado que tiene una mejor conductividad térmica y posee un mayor calor específico. La función del aceite es doble, actúa como aislante y como agente refrigerante. La rigidez de los aceites usados suele ser del orden de los 200 kV/cm. Básicamente se trata de una mezcla de hidrocarburos. El aceite cobra un especial interés en los casos en el que el transformador se vea sometido a sobrecargas pasajeras.

La parte activa del transformador suele ir sumergida en aceite, esta parte está en el interior de un tanque o caja. Esta caja puede tener una superficie de refrigeración considerable, compuesta por tubos, o con radiadores adosados. Este sistema de refrigeración, puede efectuarse por convección natural, o bien forzada (mediante ventiladores que activen la circulación en el caso de refrigeración por aire, y de bombas en el caso del aceite, que mediante un circuito cerrado puede a su vez enfriarse mediante la acción por ejemplo de otra circulación de agua). La potencia de un transformador viene limitada por su valor máximo de calentamiento, por tanto, la ventilación forzada puede ser un medio eficaz para aumentar la potencia. Sin embargo, el principal problema de la refrigeración en los transformadores, y de las maquinas en general, aumenta en dificultad a medida que crecen las potencias. A medida que aumentan las potencias, la caja, los tubos de ventilación,... todo debe crecer. Existen también transformadores indicados para aquellos casos en que la máxima potencia sólo se suministra durante unas horas. En esas horas, se efectuará una ventilación forzada, mientras, en horario de servicio normal, sólo se necesita una ventilación natural.

Aspectos constructivos: refrigeración

1 Núcleo

1’ Prensaculatas

2 Devanados

3 Cuba

4 Aletas refrigeración

5 Aceite

6 Depósito expansión

7 Aisladores (BT y AT)

8 Junta

9 Conexiones

10 Nivel aceite

11 - 12 Termómetro

13 - 14 Grifo de vaciado

15 Cambio tensión

16 Relé Buchholz

17 Cáncamos transporte

18 Desecador aire

19 Tapón llenado

20 Puesta a tierra

1 Núcleo

1’ Prensaculatas

2 Devanados

3 Cuba

4 Aletas refrigeración

5 Aceite

6 Depósito expansión

7 Aisladores (BT y AT)

8 Junta

9 Conexiones

10 Nivel aceite

11 - 12 Termómetro

13 - 14 Grifo de vaciado

15 Cambio tensión

16 Relé Buchholz

17 Cáncamos transporte

18 Desecador aire

19 Tapón llenado

20 Puesta a tierra

Tabla I: Designación de la refrigeración de un transformador Así, un transformador ONAN es un transformador en baño de aceite en el que el aceite es el refrigerante primario y se mueve por convección natural; es decir, por las diferentes densidades que tienen el aceite caliente, en contacto con la parte activa, y el aceite frío, enfriado por el refrigerante secundario. El refrigerante secundario es, en este ejemplo, el aire que rodea a la cuba del transformador, el cual circula también por convección natural. Un transformador ONAF (ver Fig.) es un transformador en baño de aceite similar al ONAN, salvo que en este caso el aire se envía hacia la cuba mediante ventiladores (circulación forzada del aire). Los transformadores secos, que carecen de refrigerante secundario, se designan mediante sólo dos letras. Así, un transformador AN es un transformador seco refrigerado por el aire ambiente que circula por convección natural. Según la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI), el tipo de refrigeración de un transformador se designa mediante cuatro letras.

• Las dos primeras se refieren al refrigerante primario (el que está en contacto directo con la parte activa de la máquina)
• y las dos últimas se refieren al refrigerante secundario (que enfría al refrigerante primario).
• De cada par de letras, la primera indica de qué fluido se trata y la segunda señala su modo de circulación (Tabla I). ONAF Ventiladores o Forzadores

En la Fig. de abajo se muestran algunos de los símbolos empleados para representar transformadores. Los tres primeros se refieren a transformadores monofásicos y los tres últimos a transformadores trifásicos. Fig. : Símbolos de transformadores

• Bobinado con Folio (banda), Planchuela o Alambre Redondo.
• Aislación Según la Clase Térmica Solicitada. Apuntes Transformadores Secos Procesos Constructivos Bobinas Encapsuladas

• Colocación de Molde de Encapsulado.
• Secado en Horno.
• Encapsulado en autoclave, con alto vacío, temperatura y caudal controlado. **Transformadores Secos Procesos Constructivos Bobinas Encapsuladas
• Gelificado en Horno.
• Curado en Horno.**

**- Bobinado con Folio, Planchuela o Alambre Redondo.

• Aislación Según Clase Térmica Solicitada y Tipo Constructivo.** Transformadores Secos Procesos Constructivos Bobinas Impregnadas

- Construido en Chapa de Hierro Silicio M de Grano Orientado, de bajas perdidas y corte Step-Lap. **Transformadores Secos Procesos Constructivos Núcleo de Hierro Silicio

• Prensayugos de Hierro cortadas en laser, plegadas y galvanizadas en caliente por inmersión.
• Retiro del yugo superior, para dar comienzo a las tareas de montaje.**

- Núcleo abierto, colocación de los tacos prensabobinas inferiores, y las bobinas de Media y Baja tensión dispuestas para el montaje final. - Montaje de las Bobinas de Media tensión en el núcleo magnético. Transformadores Secos Procesos Constructivos Montaje

- Montaje de las Bobinas de Baja Tensión en el Núcleo Magnético. - Colocación del Yugo Superior del Núcleo. - Transformador Terminado, listo para los Ensayos Finales. Transformadores Secos Procesos Constructivos Montaje

Transformadores Secos Ensayos Finales

• Principio de funcionamiento.
• Ecuaciones que se implementan.
• Circuito Eléctrico Equivalente.
• Diagramas sin carga y con carga.
• Ensayos de vacío y de cortocircuito.
• Balance de Potencias.
• Rendimiento.

DESCRIPCIÓN DE UN TRANSFORMADOR :

• Los transformadores son máquinas estáticas con dos devanados de corriente alterna arrollados sobre un núcleo magnético (ver Fig).
• El devanado por donde entra energía al transformador se denomina primario.
• El devanado por donde sale energía hacia las cargas que son alimentadas por el transformador se denomina secundario.
• El devanado primario tiene N1 espiras y el secundario tiene N2 espiras.
• El circuito magnético de esta máquina lo constituye un núcleo magnético sin entrehierros, con chapas de acero al silicio apiladas y aisladas entre sí para reducir las pérdidas magnéticas del transformador. Fig. 1: Principio de funcionamiento de un transformador monofásico

• Al conectar una tensión alterna V1 al primario, circula una corriente por él que genera un flujo alterno en el núcleo magnético.
• Este flujo magnético, en virtud de la Ley de Faraday, induce en el secundario una fuerza electromotriz (f.e.m.) E2 que da lugar a una tensión V2 en bornes de este devanado.
• De esta manera se consigue transformar una tensión alterna de valor eficaz V1 en otra de valor eficaz V2 y de la misma frecuencia.
• Nótese que esta máquina sólo vale para transformar tensiones alternas, pero no sirve para tensiones continuas.
• El devanado de alta tensión (A.T.) es el de mayor tensión.
• El devanado de baja tensión (B.T.) es el de menor tensión.
• Un transformador elevador tiene el lado de baja tensión en el primario y el de A.T. en el secundario.
• Un transformador reductor tiene el lado de alta tensión en el primario y el de B.T. en el secundario.
• El transformador es una máquina reversible.
• Un mismo transformador puede alimentarse por el lado A.T. y funcionar como transformador reductor o alimentarse por el lado de B.T. y actuar como un transformador elevador.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSFORMADOR :