Fundamentos de la energía de transformadores de potencia y transformadores de distribución

Este artículo describe principalmente acerca de los Términos Fundamentales de Ingeniería del Transformador, Ingeniería detrás del Transformador, Pérdidas de Transformador y muchos más. este artículo también tendrá contenido detallado que ayudará a los Estudiantes / Ejecutivos de Proyecto / Ingenieros de Diseño / Personal OEM de transformadores, en muchas maneras. Simplemente este artículo le da para tener un viaje completo por el Transformador, de lo Fundamental a lo Funcional.

Definición:

Transformador es un dispositivo estático, transforma la potencia de una fuente a otra sin cambiar la frecuencia. Puede subir o bajar el voltaje con la correspondiente disminución o aumento de corriente.

La tensión desarrollada por la acción Transformador viene dada por:

E = 4,44 x f x N x Bmax x Acore

Donde,

E = Tensión nominal de la bobina en voltios

f = Frecuencia de funcionamiento en hertzios

N = Nº de vueltas en el devanado

Bmax = Densidad máxima de flujo en el núcleo en Tesla

Acore = Sección transversal del material del núcleo en metros cuadrados.

Tipos de Transformadores basados en la aplicación: 

• (1) Transformador de horno (2) Transformador de servicio del convertidor (3) Transformador de prueba de frecuencia de alimentación de alta tensión (4) Transformador de prueba de cortocircuito (5) Transformador de resina fundida (6) Transformador de puesta a tierra/transformador de puesta a tierra neutro (7) Transformador seco ignífugo para minería/unidades de interruptor transeuropeo.
• Clasificación del diagrama vectorial: 
  1. El primer dígito en letras mayúsculas puede ser D, Y, Z que representa la conexión Delta, Estrella o Estrella Interconectada del devanado primario.
  2. El segundo dígito en mayúsculas puede ser D, Y, Z que representa la conexión Delta, Estrella o Estrella Interconectada del devanado secundario.
  3. El tercer dígito representa el desplazamiento de fase entre la primaria y la secundaria. La convención empleada es para describirlo por la hora en un reloj, en el cual la línea más alta a voltaje neutro es representada por la manecilla de minutos ajustada a una posición de 12′ O’ Clock y la línea más baja a voltaje neutro es representada por la manecilla de hora. Puesto que las 12 horas representan 360° de un círculo completo, cada hora representa una diferencia de fase de 30°, 1 significa un desplazamiento de menos 30°, 6 para menos 180° y 11 para menos 330° o más 30°, como se refiere a la rotación estándar del vector en sentido contrario a las manecillas del reloj.

Clasificación del grupo vectorial:

Grupo – I: Desplazamiento de fase cero[Yy0, Dd0, Dz0, Dz0]».

Grupo – II: Desplazamiento de fase 180°[Yy6, Dd6, Dz6]».

Grupo – III: Desplazamiento de fase -30°[Yd1, Dy1, Yz1]».

Grupo – IV: Desplazamiento de fase +30°[ Yd11, Dy11, Yz11]».

Transformadores de Refuerzo: Debe ser Yd1 o Yd11

Transformadores Step-Down: Dy1 o Dy11

Transformadores de puesta a tierra[Transformadores Zig-Zag]: Debe ser Yz1 o Dz11

Transformador generador:: Dyn11

Transformador de horno: YNyn0

Tensión de impedancia del transformador[% Z]:

Cuando el voltaje de impedancia se aplica a través de un devanado de un Transformador, produce una corriente normal de carga completa para que fluya a través del devanado secundario cuando sus terminales están cortocircuitados. Se expresa como porcentaje de la tensión aplicada. Por ejemplo, en un transformador de 11 kV / 440 V con una tensión de impedancia del 5 % de corriente a plena carga en los devanados de 11 kV, y el devanado de 400 V está cortocircuitado en los terminales. La suposición de que existe un acoplamiento magnético completo entre los devanados primario y secundario es una condición ideal. En los Transformadores Prácticos siempre hay una cierta cantidad de flujo de fuga que resulta en un flujo ligeramente más bajo uniendo el secundario que el flujo en el Primario. Esto resulta en una caída de voltaje dentro del Transformador. Esto, además de la caída de resistencia en los devanados se conoce como la impedancia de fuga del Transformador.

 

El componente resistivo de la impedancia de cortocircuito proporciona un parámetro para estimar las pérdidas de carga. Estas pérdidas incluyen las pérdidas de corriente de Foucault en los conductores y la estructura como una pequeña porción. Su contribución es materialmente mejorada debido a las corrientes armónicas en carga. La determinación exacta por la prueba es difícil y la prueba simplificada @ corriente baja sufre de la desventaja de un factor multiplicador alto. Pero se espera que dé valores representativos.

Temperatura del punto caliente:

La capacidad de carga del transformador de potencia está limitada principalmente por la temperatura del devanado. Como parte de los ensayos de aceptación de nuevas unidades, el ensayo de aumento de temperatura tiene por objeto demostrar que @ plena carga y temperatura ambiente nominal, la temperatura media del devanado no superará los límites establecidos por las normas de la industria. Sin embargo, la temperatura del devanado no es uniforme y el factor limitante real es en realidad la sección más caliente del devanado comúnmente llamada Winding Hot spot. Esta zona de puntos calientes se encuentra en algún lugar hacia la parte superior del Transformador y no es accesible para la medición directa con métodos convencionales.

BIL:

Una abreviatura para el nivel de Impulso Básico, una prueba de resistencia dieléctrica que se determina aplicando una tensión de onda cuadrada de alta frecuencia con un borde de paso entre los devanados y entre los devanados y el suelo.

 

La clasificación BIL proporciona la clasificación de kV máxima de entrada que un Transformador puede obtener al resaltar la causa de una avería del aislamiento. El Transformador también debe estar protegido contra sobretensiones eléctricas naturales o producidas por el hombre.

 

El nivel de aislamiento define la resistencia dieléctrica del equipo a las sobretensiones e impulsos de relámpago.

Ud[kV rms / Min]:

Sobretensión de origen interno, acompañan todas las cargas en el circuito abriendo o cerrando un circuito, avería o cortocircuito a través de un aislamiento, etc., Se simula en un laboratorio por la frecuencia de potencia nominal soportando tensión durante un minuto.

Up[kV Pico]:

Sobrevoltajes de origen externo o atmosférico ocurren cuando un rayo cae cerca de una línea. La onda de voltaje que resulta es simulada en un laboratorio y se llama la tensión nominal de resistencia al Impulso de Rayo.

Corriente excitante:

En Transformadores la corriente en Amperios requerida para excitación. Esta corriente consta de 2 componentes.

• Real en forma de pérdidas.
• Potencia reactiva en kVAR.

La corriente excitante varía inversamente con la clasificación de kVA desde aproximadamente 10% @ 1kVA hasta tan bajo como 0.5% @ 750kVA.

Temperatura del sistema de aislamiento térmico:

La Temperatura Máxima en grados Celsius @ el punto más caliente del devanado.

Grifos:

Las conexiones se realizan a devanados de transformadores que no sean en sus terminales. Se proporcionan en el lado de entrada de algunos transformadores de alto voltaje para corregir las tensiones altas o bajas para que los terminales secundarios puedan entregar sus voltajes de salida nominales completos.

Regulación de tensión:

La diferencia entre los voltajes sin carga y a plena carga expresados como porcentaje. Transformador que suministra 200V @ No-load y 190V @ Full-load como regulación de 5%.

Equipo de protección requerido para un transformador grande:

1. Aumento de temperatura: Termómetro, termostato, relé térmico.
2. Formación de Gas: Relevador Buchholz.
3. Desequilibrio de Corriente: Relé de Sobrecorriente, Relé Diferencial, Relé de Fuga a Tierra.

Aceite de Transformador:

La materia prima básica del aceite de Transformador es un lubricante de baja viscosidad, denominado como aceite base del Transformador, que se obtiene por destilación fraccionada de petróleo crudo.

 

El aceite de transformador consta de 4 clases genéricas principales de compuestos orgánicos, principalmente parafinas, nafténicos, aromáticos y olefinas, dependiendo de la presencia de un mayor porcentaje de parafinas o nafténicos, el aceite se denomina base parafínica o base nafténica.

 

Para un buen aceite aislante fresco, es deseable tener más de Parafinas saturadas, menos de Aromático y/o Napthanic y nada de Olefinas.

Accesorios de Transformador:

• Accesorios estándar:
  Conforme a las normas IEC / BS / IS, los’ Accesorios Estándar’ listados a continuación, son los requisitos mínimos para la operación segura y correcta de un Transformador.

1. Diagrama y placa de características.
2. Apagado – Selector de conexiones roscadas (cuando sea necesario).
3. Indicador de nivel de aceite.
4. Válvula de drenaje de aceite.
5. Bujes: (i) Bujes de Porcelana / Epoxi o (ii) Bujes enchufables (según requerimiento).
6. Terminales de puesta a tierra.
7. Lifting Lugs.
8. Almohadillas de Jacking (para valores superiores a 2500kVA).
9. Bolsillo del termómetro.
10. Capacidades de ventilación de aire para más de 2500kVA.
11. Tubo de respiración con respiradero deshidratante para valores superiores a 2500kVA.
12. Clasificaciones de conservador para 11kV y 2500kVA (según especificación del cliente).

• Accesorios opcionales:

De acuerdo con las especificaciones del Cliente, los accesorios opcionales listados a continuación se proporcionan para la operación de protección adicional de un transformador.

1. Indicador de temperatura del aceite.
2. Indicador de temperatura del devanado con WTI CT.
3. Relé de operación por gas o líquido (relé Buchholz).
4. Venteo de explosión / Dispositivo de descarga de presión.
5. Cámara de desconexión.
6. Filtro de aceite Válvula.
7. Rodillos o ruedas.
8. Respirador deshidratante para valores inferiores a 2500kVA.
9. Clasificaciones de conservador para 11kV y 2500kVA (según especificación del cliente).
10. Caja de maniobra para todo el cableado.

Condiciones de funcionamiento habituales para un transformador: -[ANSI / IEEE C57.12.01.1989 r 1998] -[ANSI / IEEE C57.12.01.1989 r 1998

• Temperatura del aire de refrigeración: <= 40°C
• 24 Horas Temperatura media del aire de enfriamiento: <= 30°C
• Temperatura ambiente mínima: >= – 30°C
• Corriente de carga: Factor armónico <= 0.05 / Unidad
• Altitud: <= 3300 pies[1000 Mtr]
• Tensión[sin exceder la temperatura límite]: O/p kVA nominal @ 105% de tensión secundaria nominal,
• Factor de potencia >= 0.80

Relevo de Buchholz:

El relé Buchholz se compone de una carcasa de hierro fundido insertada en la tubería que conecta el tanque del transformador con el tanque conservador. Consiste en 2 mecanismos de cangilones conectados cada uno a un cabezal basculante sobre el que se monta un interruptor de mercurio. El conjunto superior atrapa pequeñas burbujas de gas generadas por un fallo incipiente y si se ha recogido suficiente gas, cierra un contacto y suena un bocina en el panel de control de la Subestación. El conjunto inferior que se encuentra directamente en la trayectoria del tubo de conexión funciona cuando hay una falla interna grave como un cortocircuito entre fases, bobinas o giros, arco de falla a tierra o pinchadura del aislante de casquillo dentro del tanque. Esto libera una cantidad considerable de gas, y el oleaje desplazado de petróleo y gas a través de la tubería de conexión, e impacta sobre una placa de desviación fijada en el montaje inferior en línea con la tubería. Esto inclina el interruptor de Mercurio que a su vez activa los CB. El relé buchholz también detecta la acumulación de aire debido al bajo nivel de aceite o a bombas de aceite defectuosas.

Armónicos:

En cualquier red de corriente alterna, el flujo de corriente depende de la tensión aplicada y de la impedancia (resistencia a la CA) proporcionada por elementos como resistencias, reactancias de naturaleza inductiva y capacitiva. Como el valor de impedancia en los dispositivos superiores es constante, se denominan lineales, por lo que la relación de tensión y corriente es de naturaleza lineal.Sin embargo, en situaciones de la vida real, diversos dispositivos como diodos, rectificadores controlados por silicio, sistemas PWM, tiristores, reactores de núcleo saturables de corte de tensión y corriente, hornos de inducción y de arco también se utilizan para diversos requisitos y debido a su característica de impedancia variable, estos dispositivos NO LINEALES causan distorsión en formas de onda de voltaje y corriente que es de creciente preocupación en los últimos tiempos.

 

Los armónicos se producen como picos a intervalos que son múltiplos de la frecuencia de red (suministro) y que distorsionan la forma de onda sinusoidal pura de la tensión y corriente de alimentación. Si por ejemplo, la frecuencia fundamental es de 50 Hz, entonces el 5º armónico es cinco veces esa frecuencia, o sea 250 Hz, y el 7º armónico es siete veces el fundamental o 350 Hz, y así sucesivamente para los armónicos de orden superior.

 

Los armónicos pueden ser discutidos en términos de corriente o voltaje. Una quinta corriente armónica es simplemente una corriente que fluye a 250 Hz en un sistema de 50 Hz. La quinta corriente armónica que fluye a través de la impedancia del sistema crea una quinta tensión armónica.

Normas IEC de Transformación de Potencia

Pruebas de Transformadores:

Prueba de rutina:

1. Medición de la resistencia del devanado.
2. Medición de la relación tensión/vueltas.
3. Medición de la tensión de impedancia / Corta
4. Impedancia de circuito y pérdida de carga.
5. Medición sin pérdida de carga y sin carga Corriente.
6. Medición de la resistencia de aislamiento.
7. Prueba dieléctrica.
8. Prueba en OLTC.

Prueba de tipo:

Igual que arriba, extra como

1. Prueba de aumento de temperatura.
2. Prueba de Impulso.

Prueba Especial:

1. Medición de la impedancia de Secuencia Cero de 3f
2. Prueba de Circuito Corto.
3. Medición del nivel de Ruido Acústico.
4. Medición de armónicos de la corriente sin carga.
5. Medida de potencia tomada por los ventiladores y bombas de aceite.

Pérdidas del transformador:

Pérdidas por Transformador detalladas a continuación:

Pérdidas dieléctricas:

Esta pérdida se debe a la inversión de tensiones electrostáticas en el aislamiento. Es aproximadamente proporcional a la alta tensión desarrollada y al tipo y grosor del aislamiento. Varía según la frecuencia. Es insignificantemente pequeña y es aproximadamente constante.

Pérdida de histéresis;

Una contribución considerable a las pérdidas sin carga proviene de las pérdidas por histéresis. Las pérdidas de histéresis se originan a partir de los dominios magnéticos moleculares en las laminaciones del núcleo, resistiendo a ser magnetizadas y desmagnetizadas por el campo magnético alternante.

Pérdidas de Corriente Eddy en el núcleo;

El flujo alterno induce un EMF en el grueso del núcleo proporcional a la densidad y frecuencia del flujo, la corriente circulante resultante depende inversamente de la resistividad del material y directamente del grosor del núcleo. Las pérdidas por unidad de masa de material del núcleo, por lo tanto varían con cuadrado de la densidad de flujo, frecuencia y espesor de las laminaciones del núcleo.

Pérdidas Resistivas:

Estos representan el componente principal de las pérdidas variables o dependientes de la carga, designadas como pérdidas I2R o de cobre. Varían como cuadrado de la corriente de la m. r. s. en los devanados y directamente con la resistencia de la bobina a la corriente de corriente continua. La resistencia a su vez varía con la resistividad, las dimensiones del conductor y la temperatura.

R = (r x L) / A

Donde R = Resistencia del devanado, W

r = Resistividad en ohmios – mm2/m.

l = Longitud del conductor en metros

A = Área de la sección transversal del conductor, mm2

Corriente de Foucault Pérdidas en el conductor;

Los conductores en los devanados de los transformadores están sujetos a flujos de fuga alternados creados por corrientes de devanado. rutas de flujo de fuga, que pasan a través de la sección transversal del conductor, inducen tensiones que varían sobre la sección transversal. Estas conexiones variables se deben a la conexión automática, así como a la proximidad de conductores portadores de corriente adyacentes. Estos voltajes inducidos, crean corrientes circulantes dentro del conductor causando pérdidas adicionales. Estas pérdidas varían según el cuadrado de la frecuencia.

Pérdidas de Extra Eddy en las partes estructurales; –

Algún flujo de fuga invariablemente va en vías de aire alejado del transformador. La fuerza de este flujo disperso disminuye y varía inversamente con la distancia. Si se vincula con cualquier material conductor, producirá pérdidas de eddy en ese material. Para los transformadores sumergidos en aceite, algunos enlaces de flujo perdidos con algunas partes del tanque causan pérdidas de corriente de Foucault adicionales en la estructura. Estas pérdidas están ausentes en los transformadores de tipo seco.

Fuente: www.linkedin.com