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13 noviembre, 2016

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El banco Yd en la distribución de energía eléctrica (Parte I)


 
Introducción.
 

En la ciudad de Maracaibo, estado Zulia, Venezuela, la distribución primaria se hace en 8 y en 24 kilovoltios (valores clase, redondeados de 8320 y de 23900 V), y la distribución secundaria es en general de 240/120 V; por supuesto, también hay clientes servidos en 208Y/120 V (usos residencial de mediano a pesado y comercial mediano), en 480/240 V, 480Y/277 y 416Y/240 V (usos comercial pesado e industrial), según el contrato que se haya establecido entre las partes distribuidora y suscriptor.

 

El servicio de baja tensión (BT) del tipo 2E/E se logra por medio de devanados secundarios conectados en triángulo tal como se ilustra a la derecha en la imagen que encabeza este artículo; mientras que, un servicio de BT del tipo (√3)EY/E es proporcionado por devanados secundarios conectados en estrella.

 

El estudio que sigue se ocupa sólo del arreglo trifásico (3φ) de transformadores de distribución monofásicos (1φ) conectados en estrella del lado primario o de alta tensión (AT), y en triángulo del lado secundario o de BT; es decir, del grupo de conexión Y[N]d[n]# cuya aplicación reductora es usual en los alimentadores de distribución de Maracaibo. En esta ciudad, tanto en 8 como en 24 kV, los circuitos primarios de distribución son de cuatro hilos conductores (tetrafilares, 4 h) y multiaterrizadas (con múltiples puestas a tierra), que inician su tendido luego de un interruptor que enlaza con la barra de una subestación conectada al secundario en estrella de un transformador de potencia 3φ cuyo neutro es corrido en cada uno de los alimentadores asociados, construidos en anillo abierto y operando radialmente.
 
Nota: La N que sigue a la Y en las siglas del grupo de conexión es indicativa de que el neutro del alimentador primario correspondiente está conectado al neutro de la estrella del banco; la n que sigue a la letra d, indica que uno de los lados del triángulo tiene toma central puesta a tierra desde la que inicia el neutro de un circuito monofásico secundario de tres hilos de E/2E, servido desde el mismo banco; mientras que el símbolo #, representa al número impar entre 1 y 11 que multiplicado por 30º determina el ángulo por el cual tensiones y corrientes del lado primario adelantan a las del lado secundario.

 

  1. Suministro desde el banco Yd.

 
yd02
 

La configuración YNdn1 que se muestra en el esquema de la figura anterior, emplea tres transformadores de polaridad aditiva según la convención: H1 y X1 puntos de polaridad en devanados primarios y secundarios, respectivamente, marcados en lados opuestos. Por supuesto, los devanados primario y secundario en cada unidad de transformación tienen tensiones en fase hacia el punto de polaridad (una unidad no desfasa por sí misma, excepto por contrafase de 180º cuando se toman referencias contrarias a la convención del punto).

 

A manera de ejemplo de aplicación práctica, considere que cada unidad de este banco YNdn1 tiene especificaciones 4800/8320Y‑240/120 V y capacidades nominales de a lo sumo 167 kVA. Atendiendo al diagrama de fasores en la esquina inferior izquierda de la misma figura, la tensión AN de 4800 /90º V está en fase con la tensión ab = an+nb = 120 /90º + 120 /90º = 240 /90º V. Es claro que en secuencia positiva la tensión primaria (de línea) correspondiente, AB, resulta ser de (√3)·(4800) /90º+30º = 8320 /120º V. Así, primario adelanta obviamente a secundario en 30º. ¿Y qué representa “o” al interior del diagrama fasorial de secundario? El punto “o” representa el neutro virtual de la conexión triángulo y se localiza en el centro de gravedad o baricentro del diagrama. Note además que el segmento ao coincide con la aguja horaria que apunta a la hora 1, y más aún, que los lados del triángulo de fasores siempre deben ser paralelos (o antiparalelos, en las contrafases) a los de la estrella de fasores para toda la sucesión de multiplicadores impares entre 1 y 11, únicas posiciones posibles para la aguja horaria en los grupos Yd.

 

Tal como se explica en la figura, desde un banco Ydn puede suministrarse simultáneamente potencia a las cargas trifásicas de 240 V y a un circuito monofásico de tres hilos de 120/240 V con el neutro de este circuito puesto a tierra. Sin embargo, las cargas monofásicas del sistema conectado en triángulo dan origen a corrientes desequilibradas. Además, la conexión a tierra del sistema conectado en triángulo es asimétrica. Para ilustrar esto último, en el banco YNdn1 de la misma figura, la tensión entre la fase c y la toma central n es de 208 V porque cn = ca + an = 240 /150º + 120 /90º = (√3)·(120) /180º = 208 /180º. Esta tensión extra debe quedar debidamente aislada.

 

Al respecto de las corrientes desequilibradas, debe observarse que entre dos puntas cualesquiera del secundario en triángulo se consiguen dos trayectorias en paralelo, de modo que si el banco Yd está formado por tres transformadores cuyas impedancias son aproximadamente iguales, la corriente que fluye desde el triángulo a la carga monofásica K1 (en kVA) se divide entre las unidades del banco como explica la siguiente figura.

 
yd03
 

Para tensiones y corrientes de línea balanceadas, la conexión en triángulo equilibra las tensiones respecto al neutro de la estrella, mientras que la conexión en estrella equilibra las corrientes del triángulo. Esta acción equilibradora constituye una ventaja, puesto que tres transformadores de tensiones e intensidades nominales iguales tomarán automáticamente partes iguales de una carga trifásica equilibrada, aun cuando sean diferentes sus características electrofísicas de construcción (tipo de material y forma de los devanados y del núcleo ferromagnético) (E.E.Staff del M.l.T., 1980). A la unidad de transformación que asume 2/3 de la carga monofásica se le refiere como columna de luz L, y a las otras dos unidades se les llama columnas de potencia P (ABB, 2002).

 

A partir de la observación anterior surgen las fórmulas empíricas para estimar la capacidad nominal (CN) de cada unidad de transformación en un banco Yd, que suministre energía eléctrica a una carga monofásica K1 combinada con otra trifásica equilibrada K3 (ambas en kVA):

CNL ≥ (2·K1 + K3)/3     y     CNP ≥ (K1 + K3)/3.

Sin embargo, por convención, cuando se utilizan transformadores de distintas capacidades en un banco Yd, la capacidad 3φ máxima desde el punto de vista de la seguridad del equipo en sí, debe ser el triple de la capacidad nominal de la menor unidad constitutiva (General Electric, 1958).

 

  1. Armónicas en el banco Yd.

 

Si en el lado primario del banco Yd el neutro de la estrella está aterrizado o conectado al neutro multiaterrizado del alimentador tetrafilar (YNd), las terceras armónicas de las corrientes de excitación crean pequeñas caídas de tensión de esa misma frecuencia en las impedancias de fuga de los transformadores y por tanto las fuerzas electromotrices inducidas por el flujo mutuo contienen terceras armónicas tenues que aparecen como componentes de las tensiones de los devanados secundarios de las unidades que constituyen el banco. Como para transformadores similares y una excitación balanceada en cada devanado del triángulo se inducen fuerzas electromotrices de frecuencia triple que resultan idénticas, entonces en el interior del triángulo se totaliza una triplicación de esa fuerza electromotriz inducida. Puesto que las fundamentales y las armónicas 5ª, 7ª, etc., de las tensiones en los tres devanados del triángulo son de igual magnitud y están defasadas en un tercio de período para cada una de tales frecuencias, sus sumas son nulas y por tanto en el interior del triángulo no existen componentes de tensión de otra frecuencia distinta de las triples.

 

Las fuerzas electromotrices de triple frecuencia inducidas en los devanados del triángulo (3ª, 9ª, etc.), crean una corriente circulante de la misma frecuencia en el interior del triángulo. La acción combinada de las corrientes de excitación de frecuencia triple que circulan por primario y secundario crean las fuerzas magnetomotrices de la frecuencia de la tercera armónica necesarias para permitir variaciones casi sinusoidales del flujo en las tres unidades de transformación, por lo que se reducen las terceras armónicas de las corrientes en el primario del banco.

 
yd04
 

En caso que esté aislado el neutro de la estrella, no existen armónicas triples en las corrientes de primario por no hallarse una trayectoria de retorno desde ese neutro. Así sin cuarto hilo en el primario, la forma de onda de la corriente de excitación iφA en los devanados de la estrella es distinta de la forma de onda típica de un transformador, siendo su diferencia principal la ausencia de terceras armónicas (se ilustra en la figura anterior) (E.E.Staff del M.l.T., 1980). No obstante, el secundario en triángulo proporciona un camino para las terceras armónicas de las corrientes, y las componentes de fuerzas magnetomotrices de frecuencia triple necesarias para permitir las variaciones casi sinusoidales de los flujos mutuos las proporciona la corriente de excitación iφΔ que a tal frecuencia circula en el interior del triángulo. Como para crear esta tercera armónica de corriente en el triángulo es necesaria una fuerza electromotriz de esa misma frecuencia, el flujo mutuo se ajustará por sí mismo para inducirla en el secundario. Por tanto, el flujo mutuo induce una tercera armónica de tensión respecto al neutro del lado del primario pero, por lo general, esta tercera armónica de la tensión es irrelevante y la forma de onda de la tensión del primario respecto al neutro permanece esencialmente sinusoidal.

 
En la Parte II de este trabajo:

  • Comportamiento de los bancos Yd en condiciones de emergencia.
  • Conclusiones y recomendaciones.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ABB. (2002). Distribution Transformer Guide. Jefferson, Estados Unidos de América.

E.E.Staff del M.l.T. (1980). Circuitos Magnéticos y Transformadores. Buenos Aires: Editorial Reverté Argentina S.C.A.

Ebasco Services Inc. (1987). Electric Distribution Systems Engineering Hanbook (Vol. 2). Nueva York, Estados Unidos de América: McGraw-Hill Publications Co.

General Electric. (1958). Distribution Transformer Manual GET-2485T. Estados Unidos de América.

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