Por: Taha Al-Jabri.
Este es un archivo precioso sobre tipos de transformadores, aplicaciones de transformadores y más…
Tipos de Transformadores
1) Transformador de Potencia
Se refiere a aquellos transformadores que se utilizan entre los generadores y los circuitos de distribución.
Transformador de 2 devanados: (La relación AT/BT es mayor a 2).
Devanado de Autotransformador: (1 devanado y la relación AT/BT es menor a 2).
2) Transformador de Distribución
Cualquier transformador que toma el voltaje de un circuito de distribución primario y lo reduce para un circuito de distribución secundario o un circuito de servicio al consumidor se denomina transformador de distribución.
3) Transformador de Instrumentación
- Transformador de corriente (CT).
- Transformador de voltaje (PT).
- Transformador de voltaje capacitivo (CVT).
¿Cuáles son las aplicaciones de los transformadores en el sistema eléctrico de potencia?
Un transformador no solo se utiliza para elevar y reducir el voltaje en el sistema de potencia, sino que también tiene otras aplicaciones que se detallan a continuación:
- Elevar y reducir el voltaje sin cambiar la frecuencia.
- Reducir la corriente de cortocircuito.
- Convertir un sistema trifásico de 3 hilos a un sistema trifásico de 4 hilos.
- Regulación de voltaje – con OLTC (Cambiador de tomas bajo carga) y AVR (Regulador automático de voltaje).
- Control de potencia reactiva – con OLTC y AVR.
- Convertir un sistema no puesto a tierra en el lado de BT (Baja Tensión) en un transformador estrella-delta a un sistema puesto a tierra mediante un transformador de puesta a tierra o zig-zag.
- Transformador de aislamiento.
Tipos de transformadores según su aplicación
Existen 3 aplicaciones principales para los transformadores:
- Como transformador de generador (Capacidad en MVA).
- Como transformador de potencia (Capacidad en MVA).
- Como transformador de servicio o auxiliar (Capacidad en KVA).
- Como transformador de distribución para el suministro de energía a hogares.
Donde la capacidad nominal en MVA a plena carga del transformador del generador debe ser, al menos, igual a la capacidad nominal máxima en MVA del generador.
Donde la capacidad nominal del transformador de servicio o auxiliar depende de la lista de carga o de la carga total conectada en su lado secundario.
Para el transformador de potencia utilizado en una subestación, la capacidad nominal será de acuerdo con las prácticas de la empresa de servicios públicos.
SLD de equipo de transformador (Ejemplo).
Capacidades nominales estándar de transformadores según las prácticas de subestaciones.
Capacidades nominales estándar de transformadores según la práctica de la industria
- Nota: Las siguientes capacidades de transformadores de potencia/autotransformadores han sido estandarizadas con base en la práctica general y las capacidades más utilizadas.
Grupo Vectorial del Transformador
Si tomamos un transformador con conexión Delta-Delta, no se puede detectar una falla de una sola línea a tierra porque no existe ningún camino de retorno para dicha falla; por esta razón, no utilizamos transformadores conectados en delta.
¿Por qué Delta-Estrella?
Reduce el desequilibrio en el lado de Alta Tensión (HV).
Una falla de Fase a Tierra (SLG) en el lado de Baja Tensión (LV) no se refleja como una falla SLG en el lado de Alta Tensión (HV). La corriente de secuencia cero circula dentro del devanado conectado en delta. Los armónicos de tercer orden o múltiplos de tres se eliminan en el lado de HV debido a la conexión en delta.
¿Por qué es importante el grupo vectorial?
El grupo vectorial indica las configuraciones de los devanados y el desplazamiento del ángulo de fase entre los devanados primario y secundario.
El transformador trifásico consta de tres devanados primarios (uno para cada fase) y tres devanados secundarios enrollados en el mismo núcleo de hierro.
Las dos configuraciones más comunes de conexión de devanados son la Delta y la Estrella.
Designaciones de conexión de devanados:
El símbolo para el devanado de alta tensión aparece primero.
Primer símbolo: Para alta tensión (HV), siempre en letras mayúsculas.
D = Delta, Y = Estrella, N = Neutro
Segundo símbolo: Para baja tensión (LV), siempre en letras minúsculas.
d = delta, y = estrella, n = neutro
Tercer símbolo: Desplazamiento de fase expresado como el número de la hora del reloj (1, 6, 11).
El vector para el devanado de alta tensión se toma como el vector de referencia.
El desplazamiento de los vectores de los otros devanados (LV) con respecto al vector de referencia (HV) con rotación en sentido antihorario se representa mediante la figura de la hora del reloj.
Ejemplo: Dyn11: El transformador tiene un devanado primario conectado en delta (D), un devanado secundario conectado en estrella con el punto neutro de la estrella accesible (n) y un desfase de 30 grados en adelanto (11).
El fasor que representa al devanado de Alta Tensión (HV) se toma como referencia y se fija a las 12 en punto.
La rotación de fase es siempre en sentido antihorario.
Se utiliza el indicador de la hora para señalar el ángulo de desplazamiento de fase porque hay 12 horas en un reloj y un círculo consta de 360°; cada hora representa 30°, por lo tanto: 1=30°, 2=60°, 3=90°, 6=180°, 9=270°, 12=0° o 360°.
Ejemplo: Nota – La rotación será en sentido antihorario.
- Dígito 12 = 0°: Indica que el fasor de Baja Tensión (LV) está en fase con el fasor de Alta Tensión (HV).
- Dígito 11 = 30°: Indica que el fasor de LV [adelanta 30° al] fasor de HV.
- Dígito 1 = 30°: Indica que el HV adelanta al devanado de LV.
- Dígito 5 = 150°: Indica que el HV adelanta al devanado de LV.
- Dígito 6 = 180°: Indica que el HV adelanta al devanado de LV.
Grupo Vectorial en Plantas de Generación
Cuando conectamos un transformador con un generador, utilizamos el transformador con devanado delta en el lado del generador y con devanado estrella en el lado de transmisión. Como en una planta de energía el equipo más valioso es el generador, este necesita el máximo número de protecciones.
Razones para usar conexión delta en el lado del generador:
- Reducción de armónicos: La conexión delta proporciona una ruta de circulación para los terceros armónicos, reduciendo así su impacto en el generador. Los voltajes de terceros armónicos se eliminan ya que la corriente circula en el primario en delta y se bloquea su flujo hacia el generador.
- Bloqueo de secuencia cero: La conexión delta atrapa el flujo de corrientes de secuencia cero (comúnmente conocidas como corriente de falla), por lo que el generador queda protegido de estas corrientes y se bloquea la secuencia cero entre circuitos conectados en delta.
Por lo tanto, se requiere la conexión delta en el lado del generador para evitar que la corriente de secuencia cero entre en él, ya que las máquinas rotativas tienen muy poca capacidad de resistencia a estas corrientes; si entraran, el núcleo del generador podría entrar en estado de saturación y quedar fuera de servicio, requiriendo un mantenimiento pesado.
¿Por qué usar una Resistencia de Puesta a Tierra del Neutro?
El objetivo principal de la puesta a tierra a través de una resistencia es lograr la seguridad del equipo frente a la corriente de falla de línea a tierra, limitando la cantidad de flujo de corriente mediante R.
Las Resistencias de Puesta a Tierra del Neutro (NGR) se utilizan para proteger generadores en aplicaciones especiales, en las que los generadores están conectados a barras colectoras que alimentan directamente cargas monofásicas. En un generador, las reactancias de secuencia positiva, negativa y cero no son iguales.
Cuando el neutro está sólidamente conectado a tierra, las corrientes de falla de línea a tierra suelen ser mayores que la corriente de cortocircuito trifásica. Esta gran corriente de falla dañará el núcleo laminado, lo que aumenta el coste de reparación. Por lo tanto, es necesario introducir una NGR entre el neutro del generador y la tierra para limitar esta corriente de cortocircuito de miles de amperios a [niveles manejables].
Grupo vectorial de transformadores en plantas de energía solar
En una planta de energía solar, cuando conectamos un transformador con un inversor solar, utilizamos el transformador con devanado en delta en el lado del inversor y con devanado en estrella en el lado de transmisión. Esto se conoce como transformador de servicio de inversor (inverter duty transformer).
Para el transformador de importación y exportación de energía (es decir, para fines de transmisión de potencia), se prefiere la conexión estrella-estrella. En este transformador, el coste del aislamiento se reduce considerablemente y, debido a su propósito económico, es la configuración de devanado más barata. Proporciona la facilidad de contar con aislamiento graduado, ahorrando así en costes de aislamiento y, eventualmente, en el coste total del transformador.
¿Qué es el aislamiento graduado (Graded insulation)?
En un transformador, cuando un extremo está conectado a tierra, el aislamiento hacia dicho extremo puede reducirse o «graduarse» para disminuir los costos.
Esto solo vale la pena para transformadores de alta tensión; las normas especifican el aislamiento graduado para conexiones en estrella o interconectadas para voltajes superiores a 66 kV. En todos los demás casos, se proporciona un aislamiento uniforme.
Transformador de enlace para subestaciones de EHV/UHV
En subestaciones de EHV (Extra Alta Tensión), el tipo de transformador YNa0d11 es ampliamente utilizado. El significado de YNa0d11 es:
- Devanado de HV (Alta Tensión) conectado en estrella con el neutro hacia afuera.
- Autotransformador con un desplazamiento de 0°.
- Devanado de LV (Baja Tensión) conectado en delta, adelantado a la HV por 30°.
Con la configuración de conexión en estrella, el costo del aislamiento del transformador se reduce considerablemente. De este modo, obtenemos la ventaja de la reducción de costos con el devanado en estrella y contamos con un devanado terciario conectado en delta para obtener las ventajas de dicha conexión.
Devanado terciario en un transformador de potencia
Normalmente, el devanado terciario se incluye en autotransformadores conectados en estrella y en transformadores conectados en estrella con una potencia nominal de 100 MVA o superior.
El propósito de esta delta inherente adicional es el siguiente:
- Este devanado se utiliza como devanado de estabilización.
- El devanado terciario se extrae mediante pasatapas (bushings) del transformador para suministrar cargas auxiliares terciarias de las subestaciones.
- Este devanado se conecta en delta y permite la circulación de corriente de secuencia cero en él. Esto equilibra el componente de secuencia cero de una carga desequilibrada, una condición que se vuelve crítica durante un cortocircuito.
- Además, durante las sobretensiones de impulso en el devanado de HV, las tensiones transferidas aparecen en los terminales del devanado terciario y son bastante altas. Esto convertía al devanado terciario en el «eslabón débil» del transformador de potencia y causaba fallas frecuentes.
Para solucionar este problema, se incrementó la capacidad del devanado terciario tanto en niveles de corriente como de voltaje. Por ejemplo, para un transformador de 100 MVA 220/132 kV, el voltaje nominal del devanado terciario es ahora de 33 kV (antes era de 11 kV) y su capacidad en MVA se ha incrementado a 33 MVA (antes era de 16.66 MVA).
Esta mejora en la capacidad del devanado terciario de un transformador de potencia ha mejorado su rendimiento y las fallas del transformador se han reducido considerablemente.
Grupo vectorial de transformadores para transformadores de distribución de BT (Baja Tensión)
Para transformadores de distribución de BT –
Normalmente se utiliza el grupo vectorial Dyn11 en el sistema de distribución.
Porque el punto estrella facilita la carga mixta de conectores de consumidores trifásicos y monofásicos.
La 2ª razón es que en las industrias la carga máxima es de tipo no lineal y estas generan armónicos; no queremos que este efecto se refleje en el lado de la red primaria, por esta razón utilizamos delta (triángulo) en el lado primario.
Tipo de carga no lineal: por ejemplo, calentadores de hornos, VFDs (variadores de frecuencia) y esta carga no lineal genera armónicos en el sistema, por lo que utilizamos Dyn11.
Por lo tanto, cualquier armónico de tensión de BT proveniente de las industrias no se enviará al sistema de aguas arriba debido al devanado en delta en el devanado de AT (Alta Tensión).
La 3ª razón es que, ante cualquier falla de línea única a tierra (Falla SLG) que ocurra en el lado de BT del transformador, la corriente de falla SLG reflejada en el lado de AT no tiene el valor de contribución de falla de secuencia cero.
En el lado de AT, al ser una conexión en delta, el componente de secuencia cero no se reflejará en el lado de AT; solo circula dentro del devanado y no sale del devanado conectado en delta. Por lo tanto, el lado de AT del transformador no se ve afectado por la falla SLG (solo se pueden ver reflejados los componentes de secuencia positiva y negativa cuando ocurre una falla SLG en BT) y el sistema de AT queda protegido o no se ve afectado por la falla SLG.
Debido a esta razón mencionada anteriormente, se prefiere la configuración de devanado conectado en estrella en el lado de BT y conectado en delta en el lado de AT.
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