Instituto Politécnico NacionalPractica 2

Introducción al Laboratorio de Alta TensiónPérez Barreto Fernando.

Ingeniería Eléctrica.Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Eléctrica Unidad Zacatenco.

fernandoperezbarreto@hotmail.com

Resumen- El presente documento tiene como objetivo .

I. OBJETIVOS

- Conocer el funcionamiento del Transformador AT.- Conocer los tipos de prueba que se pueden realizar

con el AT.

II. MARCO TEÓRICO

Un transformador es una máquina estática de corriente alterno,  que permite variar alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia, en el caso de un transformador ideal.Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el devanado secundario.La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a ellos, ha sido posible el desarrollo de la industria eléctrica. Su utilización hizo posible la realización práctica y económica del transporte de energía eléctrica a grandes distancias.Componentes de los transformadores eléctricosLos transformadores están compuestos de diferentes elementos. Los componentes básicos son:

Núcleo: Este elemento está constituido por chapas de acero al silicio aisladas entre ellas. El núcleo de los transformadores está compuesto por las columnas, que es la parte donde se montan los devanados, y las culatas, que es la parte donde se realiza la unión entre las columnas. El núcleo se utiliza para conducir el flujo magnético, ya que es un gran conductor magnético.

Devanados: El devanado es un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus extremos y recubiertos por una capa aislante, que suele ser barniz. Está compuesto por dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relación de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicará la relación de transformación. El nombre de primario

y secundario es totalmente simbólico. Por definición allá donde apliquemos la tensión de entrada será el primario y donde obtengamos la tensión de salida será el secundario.Esquema básico y funcionamiento del transformador

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética   . Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario. Con su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario.Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.La relación de transformación del transformador eléctricoUna vez entendido el funcionamiento del transformador vamos a observar cuál es la relación de transformación de este elemento. 

Donde N p es el número de vueltas del devanado del primario, N s el número de vueltas del secundario, V p la tensión aplicada en el primario, V s la obtenida en el secundario, I s la intensidad que llega al primario, I p la generada por el secundario y r t la relación de transformación.Como observamos en este ejemplo si queremos ampliar la tensión en el secundario tenemos que poner más vueltas en el secundario (N s), pasa lo contrario si queremos reducir la tensión del secundario.

III. DESARROLLO

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

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

variar la frecuencia2. 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.

Transformador de Potencia

Transformador AT

Nivel de tensión(400kv) Mucho mayor a 800Alimenta Cargas Pruebas

I alta -calibre grande I muy baja- calibre pequeñoEnfriamiento extreno no

Sobrecarga noNucleo-Saturación No hay saturación

Trifásico Monofásico

Tabla 1. Cuadro comparativo Transformador de Potencia Vs Transformador AT

TRANSFORMADORES DE ALTA TENSIÓN

Transformadores de Alta Tensión (66 hasta 500 kV).

Transformadores de tensión capacitivos usados para separar dispositivos medidores y protectores de tas fuentes de alta tensión, para transformar tensiones medidas a los valores apropiados para dispositivos de medición y protección y para transmitir señales de alta frecuencia.

Los Transformadores de Tensión Capacitivos separan del circuito de alta tensión los instrumentos de medida, contadores, relés, protecciones, etc... y reducen las tensiones a valores manejables y proporcionales a las primarias originales, con la posibilidad de transmitir señales de alta frecuencia a través de las líneas de alta tensión.

Los Condensadores de Acoplamiento sirven como acoplamiento de señales de comunicación de alta frecuencia y corresponden a la parte capacitiva de un transformador de tensión capacitivo.

Las Bobinas de Bloqueo sirven para dirigir las señales de comunicación de alta frecuencia por las líneas deseadas bloqueando las demás líneas para evitar pérdidas de señal.

Partes y Componentes

Aplicaciones

Los Transformadores de Tensión Capacitivos están diseñados para su uso en sistemas de alta tensión hasta 765 kV, para:

1. Medida de Tensión.2. Medida de potencia.3. Relés de protección.4. Equipos de sincronización.5. Transmisión de señales de alta frecuencia a través de

las líneas (Señales de Onda Portadora).6. Reducción de los picos de tensión.

Ventajas

Alta estabilidad de la capacidad y por lo tanto de la precisión.Posibilidad de ajustar la precisión en la subestación. Fiable sistema de supresión de ferroresonanciaque no afecta a la respuesta transitoria ni a la precisión.

Excelente resistencia mecánica a esfuerzos sísmicos.

Dispositivos de liberación de presión en caso de fallo interno, lo que garantiza el máximo nivel de seguridad.

Alta robustez mecánica y reducido tamaño debido a un diseño compacto, que facilita el transporte, almacenaje y montaje.

Herméticamente construido con el mínimo volumen de aceite en su interior.

Cumple todo tipo de requerimientos a nivel mundial: IEC, IEEE, UNE, BS, VDE, SS, CAN, AS, NBR, JIS, GOST, NF y otras.

Compensador metálico que regula eficazmente los cambios en el volumen de aceite debidos fundamentalmente a la variación de temperatura.

Libres de mantenimiento durante su amplio periodo de funcionamiento.

Diseño amigable con el Medio Ambiente debido a la utilización de aceites aislantes de alta calidad y libres de PCB. Los materiales empleados son reciclables y resistentes a la intemperie.

Características Principales

Corrientes nominales primarias son para:

Transformadores sin reconexión primaria hasta 2000 ATransformadores con reconexión primaria hasta 2x1000 ATransformadores de corriente también pueden tener reconexión secundaria o ambas reconexiones, es decir primaria y secundaria. Corriente nominal secundaria puede ser: 1, 2 o 5 A Número de núcleos, carga nominal o prestación de cada núcleo, clases de precisión para medición y protección, factor de seguridad y factor de límite de precisión, así como la corriente térmica continua son según las solicitudes del Cliente y de conformidad con las normas convenidas. Corriente nominal térmica de corta duración es: 100 x In o máximamente 40 kA, y la corriente nominal dinámica es: 250 X In o máximamente 100 kA (si no se require de otra manera). La construcción estandarizada de los transformadores corresponde a la temperatura ambiente de:

-25/ + 40° C.

Pruebas de Alta Tensión en Transformadores de Potencia

Para simplificar las pruebas de campo de transformadores de potencia, ABB desarrolló una bahía de prueba de alta tensión "amigable para el viaje". Este sistema móbil, que consiste de un conversor de frecuencia estática trifásica y es la única de su tipo de el mundo, fue diseñado especialmente para realizar pruebas rutinarias y especiales que cumplan con los estándares IEC 60060-3, IEC 60076-1 y la Norma IEEE C57.12.00. 

En combinación con los dispositivos de prueba multifuncionales de OMICRON, esto le permite a ABB ofrecer un amplio rango de opciones de diagnóstico para todo tipo de marcas de transformadores, desde pequeños transformadores de distribución, hasta grandes transformadores de potencia.Para las empresas de suministro de energía y las industriales, los transformadores de potencia son críticos para las operaciones y también requieren grandes inversiones en bienes de capital. Por lo tanto las pruebas y los diagnósticos de transformadores son extremedamente importantes. Junto con los diversos procesos realizados en el laboratorio para probar el líquido aislante, está a disposición un completo rango de diagnósticos eléctricos. Varios de los métodos se pueden realizar en campo a relativamente bajos costos, mientras que otros requieren altas tensiones, los cuales deben ser generados con fuentes de prueba transportables.

Pruebas de Campo de Alta Tensión

Cuando se realizan pruebas de campo de alta tensión, se usan aparatos de prueba móbiles (generalmente instalados en contenedores o remolques). Este equipo se transporta directamente hasta donde se requiere por carretera, rieles o barco a relativamente bajos costos. En el pasado, los grupos de motores/generadores se usaron predominantemente para las bahías de prueba de tensión alterna móbiles. Pero su peso vuelve su transporte complejo y costoso. Es por ello que se emplean más a menudo las bahías de prueba con la tecnología de conversores trifásicos. Estos sistemas emplean un conversor de frecuencia estática basado en IGBTs (Transistor Bipolar de Puerta Aislada) para generar la tensión de salida de frecuencia variable. Esto convierte una tensión de entrada trifásica en una tensión continua y luego (usando el módulo mencionado antes) en una tensión alterna trifásica, cuya frecuencia se puede ajustar dentro de un rango, por ejemplo desde 15 a 200 Hz.

La bahía de pruebas móbil de tensión alterna desarrollada por ABB es actualmente la más potente en el mundo. Funciona con conversores y está instalado en un contenedor de 40 pies (12 metros). La potencia de salida del conversor es de 1.35 MW. Con compensación de potencia reactiva adicional, se puede lograr hasta 2 MVA de potencia de salida para las pruebas se logra con tensiones de prueba de hasta 90 kV. "Es posible obtener tensiones de prueba de hasta 500 kV con este sistema", explica Matthias Steiger, desde la bahía de prueba móbil de ABB en Halle, agregando: "Esto permite qeu hasta los transformadores de generadores más grandes se puedan probar en el campo". Con el sistema de análisis de descargas parciales MPD 600, se pueden hacer las mediciones de descargas parciales con un nivel de interferencia del sistema de una sensitividad de menos de 5 pC. La tensión sinusoidal producida por el generador visualiza generalmente un THD de menos de 3%.

Norma IEEE para técnicas de prueba de alta tensión

Los procedimientos de prueba

La tensión se aplicará al objeto de ensayo a partir de un valor suficientemente bajo para evitar cualquier efecto de sobretensión debido a los transitorios de conmutación. Se debe elevarse suficientemente lentamente para permitir la lectura precisa de los instrumentos, pero no tan lentamente como para causar estrés innecesariamente prolongado en el objeto de prueba a la tensión de prueba. Generalmente, estos requisitos se cumplen si la tasa de aumento por encima de 75% de la resistencia a la tensión es de aproximadamente 2% de la tensión soportada por segundo. La tensión se mantiene durante el tiempo especificado y después se redujo mediante la descarga de la capacitancia de circuito, incluyendo la del objeto de prueba, a través de una resistencia adecuada. A menos que se especifique lo contrario por una norma aparato relevante, la duración de una prueba de soportar será de 60 segundos. Los requisitos de la prueba están en general satisfechos si no se produce la descarga disruptiva en el objeto de prueba.La polaridad de la tensión o el orden en que se aplican voltajes de cada polaridad (y cualquier desviación requerida de la anterior) será especificado por el estándar aparato relevante.

Pruebas de tensión de descarga disruptiva

Se aplicará el voltaje según lo especificado por la norma aparato relevante hasta que una descarga disruptiva se produce en el objeto de prueba. El valor de la tensión de prueba llegá justo antes de se registrará la descarga disruptiva.

El estándar aparato correspondiente deberá especificar el número de aplicaciones de voltaje, y el procedimiento para la evaluación de los resultados de las pruebas.

El voltaje de descarga disruptiva de un objeto de prueba está sujeta a variaciones estadísticas. Algunas orientaciones sobre los métodos para la determinación de las tensiones que dan una probabilidad de descarga disruptiva especificado se presentó en la Cláusula 15.

Pruebas de tensión de descarga disruptiva

Se aplicará el voltaje y la crió como se describe en 7.4.1, o según lo especificado por la norma aparato relevante hasta que una descarga disruptiva se produce en el objeto de prueba. El valor de la tensión de prueba llegó justo antes de se registrará la descarga disruptiva.

El estándar aparato correspondiente deberá especificar el número de aplicaciones de voltaje.

Los requisitos de la prueba son generalmente satisfechos si este voltaje no supere el voltaje de descarga disruptiva asegurado en un número especificado de aplicaciones de voltaje.

Escriba pruebas, pruebas de aceptación, pruebas de rendimiento, y cheques de funcionamiento para los sistemas de medición de voltaje directo

Las siguientes pruebas se describen para caracterizar el rendimiento de un sistema de medición de tensión directa. Ver Cláusula 5 para obtener descripciones del protocolo de pruebas, las clasificaciones del sistema de medición, registro de los requisitos de rendimiento, y la explicación de la terminología.

Los ensayos de tipo (Verificación de un nuevo diseño)

Las siguientes pruebas de tipo se llevarán a cabo en los sistemas de medición aprobados por el fabricante como la verificación del diseño. No es necesario que los resultados de estas pruebas se mantendrán en el registro del propietario del desempeño; Sin embargo, el fabricante del sistema de medición deberá mantener los resultados de las pruebas, y pondrá a disposición de los usuarios del sistema de medición de mutuo acuerdo.

Los ensayos de tipo para los sistemas de medición de tensión continua incluyen:

a) Verificación del rango de temperatura de funcionamiento (en el sistema de medición completo, sobre los principales subconjuntos, o en componentes individuales).b) La respuesta transitoria si se requiere sistema de medición completa (sólo).c) Verificación de ciclo de trabajo (sistema de medición completa, o grandes subconjuntos).d) Pruebas de aceptación Las pruebas de aceptación (Los nuevos sistemas, o después de una reparación importante sistema o alteración)

Una prueba de aceptación se realizará en todos los sistemas de medición aprobados, con los resultados documentados en el registro de los resultados, de acuerdo con los requisitos generales establecidos en la Cláusula 5. Se requiere una prueba de aceptación como prueba de una sola vez en los nuevos sistemas de medición, o como una prueba de seguimiento que se hace después de las grandes reparaciones de sistemas de medición o alteraciones.

Las pruebas de aceptación para sistemas de medición de tensión continua incluyen:

a) Determinación del sistema de medición de estabilidad a corto plazo.b) superar la prueba de tensión.c) Las pruebas de rendimiento

IV.CUESTIONARIO

Definir los siguientes conceptos:

a) Tensión crítica de flameo.

Se le llama tensión Crítica de flameo al valor de cresta de la onda de impulso, bajo condiciones específicas produce flameo a través del medio circundante en el 50% de las aplicaciones. se deben aplicar ondas positivas y negativas en el aire para el caso de tensiones inferiores de 230 KV, siendo las ondas positivas las críticas.

b) Tensión de rupturaSe le llama tensión de ruptura al valor de la diferencia de potencial para un material dado y una distancia dada en que dicho material deja de ser aislante para permitir el paso de la corriente. Un ejemplo es lo que ocurre con los rayos en la naturaleza. Los cúmulos nimbos, nubes de gran energía, actúan como enormes generadores electrostáticos y se cargan de modo de mandar cargas positivas a su parte superior y cargas negativas a su base. La tierra queda más electropositiva respecto de la base de la nube. Bajo ciertas condiciones de elevada diferencia de tensión y corta distancia entre nube y tierra y humedad del aire, etc. el aire deja de ser suficientemente apto como aislante y se "rompe" permitiendo el súbito paso de cargas de una a otras superficies.

c) Sobretensión

Se considera sobretensión eléctrica cuando hay un aumento repentino y breve del voltaje y/o corriente a una carga conectada. Puede originarse dentro o fuera de la vivienda, edificio Industrial o comercial. Cuando la sobretensión es interna, por lo general es causada por equipos de envergadura (aire acondicionado, refrigeración, resistencias o motores etc.), al encenderse o apagarse. Si son externas, pueden ser producidas por falla de corto circuito, usuarios que utilizan equipos eléctricos pesados (soldadores) o por maniobras de control.

d) Vóltmetro de esferas

Es un dispositivo constituido por dos electrodos metálicos, esféricos y de igual diámetro, donde la distancia que los separa es regulada a voluntad. Al aplicar entre dichas esferas un potencial, la descarga -a cierta distancia de ruptura- ocurre a un valor de tensión predeterminado.

e) Vóltmetro de puntas

Es un dispositivo constituido por dos electrodos metálicos, rectos y de igual longitud , donde la distancia que los separa es regulada a voluntad.

V. CONCLUSIONES

Es importante recalcar la diferencia que existe para un transformador de potencia y un transformador AT , estos últimos equipos son importantes para el desarrollo de

investigaciones en el campo industrial, con el fin de desarrollar pruebas a otros equipos.

Referencias

[1].http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/funcionamiento-de-los-transformadores#Componentes

[2].http://www.ensys.pe/articulos/omicron/omicron_pruebas_campo.html

[3]. http://www.arteche.com/es/productos/transformadores-de-tensi%C3%B3n-capacitivos

[4]. Norma IEEE para técnicas de prueba de alta tensión