Cap 3 Fallas en Transformadores

Fallas eléctricas más comunes en:

Ing. Jaime Tisnado

TRANSFORMADORES

CAPITULO 3

Objetivos

1. Conocer el objetivo de un transformador.

2. Conocer el principio de Conservación de Energía en UN TRANSFORMADOR.

3. Conocer el Objetivo de los transformadores en SIGZAG.

4. Analizar circuitos monofásicos y trifásicos en POR UNIDAD.

Un transformador, concebido idealmente, cambia un nivel de voltaje de c.a. en otro nivel de voltaje, sin alterar la potencia recibida.

Si un transformador eleva el voltaje de un circuito, deberá disminuir la corriente para que la potencia que entra al dispositivo se mantenga igual a la potencia que sale de él.

Por lo mismo, la potencia eléctrica de c.a. permite que sea generada en una central, que sea elevado luego su nivel de voltaje para la transmisión a largas distancias con pérdidas muy pequeñas, y por último, que se pueda disminuir su voltaje para su utilización final.

Como las pérdidas de transmisión en las líneas de un sistema de potencia son proporcionales al cuadrado de la corriente de línea, el incrementar el voltaje de transmisión y reducir la corriente en un factor de 10 mediante transformadores, reduce las pérdidas en un factor de 100.

Instalación en interiores Los transformadores refrigerados por líquido en ejecución para interiores sólo se pueden colocar en recintos cubiertos que ofrezcan una suficiente protección contra la lluvia, la nieve, el polvo, la arena, etc., y los transformadores secos en recintos cerrados, secos y prácticamente exentos de polvo.

Colocación a intemperie Los transformadores refrigerados por líquido son adecuados para colocación a la intemperie, si se han previsto los aisladores pasantes apropiados.

Ventilación de los recintos de transformadores Al diseñar los recintos para transformadores con refrigeración propia hay que tener en cuenta la disipación del calor de pérdidas. Para este fin se prevén aberturas de entrada y salida del aire. La entrada del aire debe disponerse cerca del suelo o por debajo del transformador (en ningún caso por encima de la línea central de la cuba) mientras que el aire caliente sale por una abertura superior.

La abertura de entrada y la de salida se deben disponer, a ser posible, en paredes opuestas. La eficiencia de la ventilación aumenta cuanto mayor sea la diferencia de alturas entre la línea central de la cuba y la abertura de salida del aire.

Materiales para transformadores

NúcleoLos núcleos de los modernos transformadores aún mantienen las características básicas desarrolladas hace aproximadamente 90 años (laminaciones de hierro dulce delgadas y planas).  El material de núcleo ideal (minimizando las pérdidas por histéresis) no debe producir fricción entre las partículas moleculares magnéticas, a medida que el campo magnético continuamente cambia su dirección. Para minimizar las corrientes de eddy o parásitas, el material de laminación debe hacerse tan delgada como sea posible, sin embargo, el espesor no puede ser reducido más allá de cierto punto, porque las laminaciones se volverían muy débiles mecánicamente.

La facilidad de magnetización combinado con la deseada dureza ha hecho de los vidrios metálicos o metales amorfos un candidato deseado para reducir los niveles de pérdidas en el hierro muchísimo más que lo que lo reducen los aceros al silicio.  La tabla adjunta muestra la ventaja enorme del uso de núcleos amorfos en transformadores de distribución.

Características comparativas de dos transformadores de 15 kva. Prototipos

ACERO SILICIO NÚCLEO AMORFOCorriente de excitación o vacio, Amps. 2.5 0.12Perdidas en el núcleo. Watts. 112 14.0Perdidas en el cobre. Watts. 210 166.0Pérdidas totales, Watts. 322 180.0Ahorro de energía, kWH/año. 0 1250Temperatura grados centígrados 100 70

MATERIAL DE NÚCLEOPARÁMETRO DE OPERACIÓN

DevanadosLas bobinas de los transformadores están diseñados para obtener el número requerido de vueltas en un espacio mínimo, al mismo tiempo la sección transversal del conductor debe ser tan grande que pueda llevar la corriente nominal, sin sobrecalentarse y un espacio suficiente debe dejarse para el aislamiento y para los canales de refrigeración necesarios.

Para bajos voltajes entre espiras, el barniz aislante del alambre es suficiente, pero para más altos voltajes es necesario adicionar papel, en algunos casos se usan combinados y en otros sólo papel para lograr el nivel deseado de aislamiento.

El sistema de aislamientoEste sistema aísla los devanados del transformador entre ellos y sirve para aislar las partes conductoras del transformador contra el núcleo magnético y las estructuras metálicas de soporte.

Cualquier debilidad del aislamiento, sólido o líquido, puede desarrollar una falla del transformador.

La vida de un transformador depende principalmente de la vida de su sistema de aislamiento .

Tipos de fallas más comunesCausas externas:Son todas aquellas que se originan fuera del Transformador y que producen solicitaciones mecánicas o térmicas de una magnitud tal, que impiden el funcionamiento normal de la máquina, o bien su deterioro definitivo. Causas internas: Entre las más frecuentes podemos mencionar: Los cortos entre espiras, ya citados antes, debidos a un deterioro del aislamiento entre dos o más (espiras) adyacentes. Deterioro del aceite, bien por humedad o acidez del mismo, lo cual a su vez determina un daño posterior en los materiales aislantes. Deterioro del material aislante, ya sea entre devanados (por ejemplo entre el primario y secundario) o entre capas de un mismo devanado, produciendo cortos circuitos internos de gran magnitud, daños en accesorios internos de transformador, tales como aisladores, cambiador taps, etc. Ocasionados por diferentes motivos imposibles de clasificar.

MANTENIMIENTO DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Para mantener funcionando satisfactoriamente un transformador, con el menor costo y la mayor confiabilidad, se requiere de un programa de mantenimiento elaborado no sólo por el personal encargado directamente, sino también con participación de la dirección de la empresa.  Sea correctivo, preventivo o predictivo, el mantenimiento es una función administrativa ligada estrechamente al control de gestión, presente hoy en día en casi todas las empresas organizadas.

ACCESORIOS INCLUIDOS:

• Indicador de nivel de líquidos• Indicador de temperatura del punto mas caliente• Válvula de sobre presión de ½”• Reelevador de operación mecánica• Válvula de drene y muestreo• Salida para conexión a medición a T.C.• Boquillas de porcelana clase 25 con aislamiento Básico al Impulso (B.I.L.): 150Kv Localizadas en tapa o frente para acoplamiento a subestación• Dos Registros en tapa para mantenimiento.• Orejas de izaje para su instalación

El aparato normalmente, es fabricado con los devanados en Zigzag o delta/estrella. La construcción de este equipo es similar al transformador trifásico normal, sin embargo solo se incluye un devanado de alta tensión en cada pierna, dividido en dos porciones iguales e interconectado entre sí en Zigzag. El aparato entonces es un autotransformador con relación 1 a 1 con los devanados arreglados de tal manera que los voltajes de cada línea a tierra son mantenidos bajo condiciones normales de operación, este sistema ofrece una impedancia mínima al flujo de corriente de falla monofásica, teniendo un neutro aterrizado.

Bajo condiciones normales, la corrientes que fluyen a través de los devanados son las corrientes de magnetización propias del transformador solamente, pero estos estas diseñados para llevar la corriente máxima de falla durante un periodo de por lo menos 30 segundos. El transformador se fabrica exactamente como un transformador trifásico, y es sumergido en aceite.

Para limitación de las corrientes de falla, se pueden añadir resistencias, y pueden insertarse entre el punto neutro y tierra, o entre las terminales del aparato.

El siguiente diagrama muestra la interconexión del transformador en zigzag con el sistema delta.

El punto neutro puede conectarse a tierra ya sea directamente, o través de una impedancia limitadora de corriente. Mientras que un transformador normal, se diseña para que siempre circule la corriente de sus devanados bajo carga; el transformador aterrizador se diseña para soportar una corriente de falla que circula en una fracción de un minuto.

El transformador aterrizador normalmente se diseña para conducir la corriente máxima de falla hasta 30 segundos, o alternativamente el tiempo, dependiendo de los ajustes del relevador de protección.

Para evitar distintas interpretaciones, la capacidad del transformador se calcula como:

TRANSFORMADOR ATERRIZADOR

El tanque y su superficie de enfriamiento deberán ser suficientes para disipar las perdidas en vacío con un aumento de temperatura de 60C.

Se asume que el voltaje siempre estará presente y que la corriente de falla también estará presente, sin embargo, se entiende que esto no es verdad, pero como factor de seguridad, si es correcto.

La mayoría de los transformadores aterrizadores se considera que el tiempo por el que circula la corriente de falla es 30 o 60segundos, y en la practica casi todos asumen los 30 segundos. Se aprecia pues, que entre mayor sea el tiempo, mayor serán los materiales activos, así como su precio.

La densidad de corriente máxima en devanados de cobre es de 23A / mm² por 30 segundos, y produciendo un aumento de temperatura de 175C, considerando una temperatura inicial de 75C y una temperatura final de 250C.

Se asume que la corriente de falla se dividirá en tres partes, y que por cada devanado circulará la misma corriente.

Como se observa los voltajes en los devanados son el voltaje dividido entre 3 (tres)

Y solo la corriente en el neutro se calcula como 3 veces la corriente nominal.

Simbología

Cambio de Base

Ordinariamente el fabricante, expresa sus características en POR UNIDAD. Utilizando como base la potencia aparente y la tensión nominal. Si se han de hacer cálculos en un sistema con varias máquinas de diferentes valores nominales, es conveniente expresar las características de una maquina en función de los valores de la otra, o bien expresar las características de cada una de ellas en función de algún sistema de cantidades base elegido arbitrariamente. Sin embargo, si se cambia la base, la impedancia por unidad de la máquina toma un nuevo valor.

Si se parte de unos valores verdaderos S, V, I y Z (Ω) se tendrán unos valores por unidad referidos en cada fase:

Al hacer una división entre los dos grupos de ecuaciones, se obtienen las relaciones por unidad entre las dos bases:

Que nos dan las expresiones de las magnitudes POR UNIDAD en la base 2, respecto a las magnitudes por unidad en la base 1.

Ejemplo:

En la siguiente figura, se muestra el esquema unifilar de un sistema eléctrico de potencia, constituido por 2 generadores Ga y Gb de 250 V, cuyo valor se toma como tensión de BASE. Se dispone de un transformador elevador Ta que eleva la tensión a 800 V. Al final de la línea, existe un transformador reductor Tb con 400 V. Las impedancias de las máquinas se dan por unidad referidas a sus valores nominales. La impedancia de la línea se da en valores absolutos. Si se toma como potencia base una potencia aparente de 5000 VA, determinar el esquema equivalente eléctrico en POR UNIDAD.

Solución:

Las magnitudes BASE nuevas a las que se han de referir todas las del sistema serán:

a) Para la máquina Ga se tiene respecto a su propia base (base 1):

Y por consiguiente al aplicar las nuevas bases, resulta:

b) Para la máquina Gb, se tiene respecto a su propia base (base 1):

Y por consiguiente al aplicar las nuevas bases, resulta:

c) Para el transformador Ta se tiene, respecto a su propia base:

Y por consiguiente al aplicar las nuevas bases, resulta:

d) Para la línea de transporte, la impedancia está referida al lado de 800 V, por lo que al aplicar el valor POR UNIDAD, resulta:

El sub-índice “2”, en la impedancia anterior significa en principio que está referida al secundario del transformador (aunque al expresarla POR UNIDAD será independiente del lado del transformador a que se refiera).

e) Para el transformador Tb, se tiene:

Y por consiguiente al aplicar las nuevas bases, resulta:

Téngase en cuenta que para este transformador, la tensión base Vb2 = 250 V, se transforman en el lado de alta tensión en V´b2 = 800 V.

f) La potencia de la carga en valores POR UNIDAD es:

Representación del esquema unifilar del circuito anterior:

Paso

Paso

Paso

Paso

Paso

En general, el procedimiento a seguir para realizar un análisis de un potencia eléctrico complejo en valores POR UNIDAD es el siguiente:

1. Elegir una potencia aparente base para todo el conjunto.

2. Elegir una tensión base arbitraria. Relacionar todas las otras tensiones base por medio de las relaciones de transformación de cada transformador.

3. Calcular las impedancias base en las diferentes secciones.

4. Dibujar el diagrama de impedancias del conjunto y resolver el problema en valores POR UNIDAD.

5. Convertir los resultados obtenidos en valores POR UNIDAD en valores absolutos.

Los estudios anteriores de cantidades por unidad se pueden generalizar a los sistemas trifásicos, eligiendo adecuadamente las bases trifásicas:

Donde Sb representa la potencia base del sistema monofásico equivalente y Vb la tensión simple del sistema trifásico (monofásico equivalente). Sb (trifásica), representa la potencia trifásica y Vb (Línea), representa la tensión compuesta de la red trifasica.

Si se parte de una potencia trifásica S (trifásica) a la tensión compuesta V (Línea) se tendrán unos valores por unidad:

Donde S representa la potencia por fase.

SISTEMAS TRIFÁSICOSANÁLISIS POR UNIDAD

De un modo análogo, la tensión trifásica (de Línea) por unidad será:

Donde V representa la tensión simple.

Los resultados indican que al resolver un problema trifásico en valores POR UNIDAD, es indiferente utilizar valores monofásicos o valores trifásicos.

Los mismos resultados se obtienen al tratar las impedancias.

La impedancia base trifásica es:

Es decir, coincide con la monofásica.

Ejemplo:Considerar el esquema unifilar de la siguiente figura, en la que se presentan los valores nominales de los transformadores. Las reactancias de los mismos se dan en valores por unidad. Las impedancias de la línea y la carga se expresan en ohmios. Las tensiones se miden en valores de línea.Calcular: a) Corriente suministrada por el generadorb) Corriente en la red de alta tensiónc) Voltaje en la línea de transmisiónd) Potencia aparente en la Línea de transmisióne) Corriente en la cargaf) Tensión en la cargag) Potencia Aparente en la carga

Solución:

1 2 3

Elegir una potencia aparente base para todo el conjunto.Paso 1

Paso 2 Elegir una tensión base arbitraria. Relacionar todas las otras tensiones base por medio de las relaciones de transformación de cada transformador.

Para la sección 1:

Para la sección 2:

Para la sección 3:

Paso 3 Calcular las impedancias base en las diferentes secciones.

Los valores de las reactancias de los transformadores referidos a estos valores de base, son:

Paso 4 Dibujar el diagrama de impedancias del conjunto y resolver el problema en valores POR UNIDAD.

Antes de dibujar el diagrama, se deben de calcular todos los valores involucrados en POR UNIDAD.

La tensión de línea del generador en valor POR UNIDAD es:

G

¿Cómo calculamos la corriente p.u. del circuito anterior?

La tensión en la carga es:

Y la potencia en la carga es:

Paso 5 Convertir los resultados obtenidos en valores POR UNIDAD en valores absolutos.

Los valores de las corrientes base en las diferentes secciones son:

Por consiguiente, la corriente en el generador es:

La corriente en la red de alta tensión es:

La corriente en la carga es:

El voltaje en la carga es:

La potencia aparente en la carga es:

PRACTICA DE LABORATORIO No. 3PRUEBAS EN TRANSFORMADORES

 Objetivos generales: Que los participantes sean capaces de:

1. Realizar el ensayo de vacío en un transformador, con el propósito de determinar las perdidas en el hierro (núcleo) del transformador para determinar y prevenir las posibles fallas.

2. Realizar el ensayo de corto-circuito en un transformador, con el propósito de determinar las perdidas en el cobre (devanados) del transformador para determinar y prevenir las posibles fallas.

3. Determinar la relación X/R de un transformador.4. Determinar la capacidad de la corriente de corto-circuito

durante una posible falla en el devanado primario del transformador.