Transformadores trifasicos

Resumen

Si se ha oído hablar de bancos de transformadores son simplemente los bancos que consisten en tres transformadores monofásicos conectados entre ellos para simular un transformador trifásico.

Para este tipo de transformadores tendremos similares características que un transformador monofásico por tratarse de la construcción a partir de 3 de ellos, pero a continuación se detallara aspectos que deben ser tomados en cuenta por ser características principales en la construcción del transformador trifásico.

Introducción

En un sistema trifásico se puede realizar la transformación de tensiones mediante un banco de transformadores o mediante un transformador trifásico.

Los transformadores trifásicos son utilizados para el suministro o el transporte de energía a grandes distancias de sistemas de potencias eléctricas. Lo que normalmente conocemos como la distribución eléctrica, pero a grandes distancias.

Un sistema trifásico se puede transformar empleando 3 transformadores monofásicos. Los circuitos magnéticos son completamente independientes, sin que se produzca reacción o interferencia alguna entre los flujos respectivos. Otra posibilidad es la de utilizar un solo transformador trifásico compuesto de un único núcleo magnético en el que se han dispuesto tres columnas sobre las que sitúan los arrollamientos primario y secundario de cada una de las fases, constituyendo esto un transformador trifásico.

Desarrollo de contenidos

Grupos de conexión

Fig.1 Tabla de conexiones posibles en un transformador trifásico. [1]

CONDICIONES NECESARIAS IDEALES PARA LA CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES EN PARALELO.[1]

La regla clásica ideal para el paralelo de transformadores, es la de cumplir con los siguientes requisitos:

1.- Igual capacidad (con enfriamiento o sin enfriamiento) de devanados.

2.- Igual impedancia (referida a la misma base de voltaje y capacidad).

3.- Iguales voltajes lado alimentación y lado carga.

4.- Igual relación de transformación en vacío.

5.- Igual tipo de enfriamiento.

6.- Diseño para igual altura de operación sobre el nivel del mar.

7.- Que sean de la misma marca

8.- Igual lote de fabricación.

9.- Igual tipo de aislamiento (igual temperatura de operación).

10.- Similar tiempo de uso (si son usados).

11.- Iguales niveles de impulso (NBI).

12.- Igual frecuencia.

13.- Igual rotación de fases.

14.- Igual polaridad.

15.- Igual desplazamiento angular.

16.- Similar valor de Mega-ohm de sus aislamientos.

17.- Similar factor de potencia de sus aislamientos.

18.- Similar propiedad Físico-Química de aceites.

19.- Similar valor de Hi-Pot de sus aislamientos.

20.- Similar corriente de excitación.

21.- Similar resistencia de núcleo aterrizado.

22.- Similar corriente de excitación.

Para transformadores monofásicos, sólo se tomarán las que correspondan a sistemas monofásicos. En la práctica, como ustedes saben, no se toman en cuenta todas las características mencionadas anteriormente, pero sí las más significativas.[1]

• Desplazamiento angular.

• Capacidad e impedancia.

Conexión Delta

Esta conexión también se denomina triangulo – triangulo, donde la relación de voltajes entre primario y secundario viene dada por:

Fig.2 Conexión Delta – Delta. [4]

(El devanado de la izquierda es el primario y el devanado de la derecha es el secundario)

Conexión Delta

También denominado grupo de conexión triangulo – estrella.

Esta conexión se utiliza normalmente para elevar el voltaje a un valor alto. [4]

Fig.3 Conexión Delta – Ye. [4]

(El devanado de la izquierda es el primario y el devanado de la derecha es el secundario)

Conexión Ye

La conexión estrella – delta o estrella – triangulo, se usa generalmente para bajar de un voltaje alto a uno medio o bajo. Una razón de ello es que se tiene un neutro para aterrizar el lado de alto voltaje lo cual es conveniente y tiene grandes ventajas. [4]

Fig.4 Conexión Ye – Delta. [4]

(El devanado de la izquierda es el primario y el devanado de la derecha es el secundario)

La relación de tensiones entre primario y secundario viene dada por:

Esta conexión no presenta problemas con los componentes en sus voltajes de terceros armónicos, puesto que se consume una corriente circulante en el lado de la delta (triangulo). Esta conexión es estable con respecto a cargas desequilibradas, debido a que la delta redistribuye cualquier desequilibrio que se presente. [4]

Esta conexión tiene como desventaja que el voltaje secundario se desplaza en retraso 30? con respecto al voltaje primario del transformador, lo cual ocasiona problemas en los secundarios si se desea conectar en paralelo con otro transformador, siendo uno de los requisitos para conectar en paralelo, que los ángulos de fase de los secundarios del transformador deben ser iguales. [4]

Conexión Ye Ye (Y – Y).

La conexión ye – ye o estrella – estrella al igual que la triangulo – triangulo el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de línea primario multiplicado por el inverso de la relación de transformación. [4]

Fig.5 Conexión Ye – Ye. [4]

(El devanado de la izquierda es el primario y el devanado de la derecha es el secundario)

La relación primario a secundario viene dada por:

Esta conexión es poco usada debido a las dificultades que presenta:

1.    Si las cargas en el circuito del transformador no están equilibradas (es lo que comúnmente ocurre), entonces los voltajes en las fases del transformador pueden llegar a desequilibrarse severamente.

2.    Los voltajes de terceros armónicos son grandes.

Estos problemas son resueltos utilizando estas dos técnicas.

1.    Conectando sólidamente a tierra los neutros de los transformadores, en especial el neutro del devanado primario, esta conexión permite que los componentes aditivos de los terceros armónicos causen un flujo de corriente en el neutro en lugar de acumular grandes voltajes, el neutro también suministra un camino de regreso para cualquier desequilibrio de corriente en la carga. [4]

2.    Añadir un tercer devanado conectado en delta al banco de transformadores. Con esto las componentes de voltaje de la tercera armónica en delta se sumarán y causarán un flujo de corriente circulante dentro del devanado. Esto suprime los componentes de voltaje de la tercera armónica de la misma manera que el hacer tierra con los neutros de los transformadores. [4]

Aceite dieléctrico

Como parte de un programa integral proactivo de mantenimiento eléctrico en transformadores, se requiere necesariamente incluir un análisis periódico del aceite aislante., antes de que el aceite colapse uy ocasione daños severos en el transformador. [2]

Estudios del Consejo Internacional de Grandes Redes Eléctricas han determinado que más del 70% de los defectos y fallos internos de un transformador dejan una huella en el aceite aislante que, si se sabe analizar e interpretar, permite identificar la naturaleza y severidad del defecto o fallo.[2]

Aspecto y color. El color de un aceite aislante se expresa con un número obtenido por comparación con una serie de colores normalizados. No es una propiedad crítica, pero puede ser útil para una evaluación comparativa. Un incremento rápido o un número de color elevado pueden indicar degradación o contaminación del aceite.

Además del color, el aspecto del aceite puede mostrar turbidez o sedimentos que pueden indicar la presencia de agua libre, lodos insolubles, carbón, fibras u otros contaminantes. [2]

Rigidez dieléctrica. La rigidez dieléctrica es una medida de la capacidad del aceite para soportar solicitaciones eléctricas. La medida de la rigidez dieléctrica sirve principalmente para indicar la presencia de contaminantes como agua o partículas. Un valor bajo de rigidez dieléctrica puede indicar que uno o más de estos contaminantes están presentes. Sin embargo, un valor elevado de rigidez dieléctrica no indica necesariamente la ausencia de todo contaminante. [2]

Punto de inflamación. La rotura del aceite causada por descargas eléctricas o por exposición prolongada a muy altas temperaturas puede producir cantidades suficientes de hidrocarburos de bajo peso molecular para reducir el punto de inflamación del aceite.

Un bajo punto de inflamación puede indicar la presencia de productos combustibles volátiles en el aceite. Esto puede deberse a contaminación con un disolvente pero, en algunas ocasiones, se ha observado que la causa eran chispas eléctricas. [2]

Compatibilidad de aceites aislantes. Para rellenar el transformador o mantener niveles, se debe utilizar un aceite que cumpla con la norma IEC 60296 y sea del mismo tipo. Los aceites no usados, que sean conformes con la norma IEC 60296 y que no contengan o contengan los mismos aditivos, se consideran compatibles entre sí y pueden mezclarse en todas proporciones. La experiencia de campo indica que, normalmente, no se observan problemas cuando se añade un pequeño porcentaje, por ejemplo un 5 %, de un aceite no usado a aceites usados clasificados como "buenos",

aunque adiciones superiores a aceites fuertemente envejecidos puede ocasionar la

Precipitación de lodos. [2]

Refrigeración

El aceite mineral tiene la función de servir de elemento trasmisor de calor para poder disipar el calor generado por los bobinados y núcleo del transformador.[3]

Fig.6 Análisis y mantenimiento de los aceites dieléctricos.[3]

De tal manera, el aceite debe mantener excelentes propiedades eléctricas para poder soportar la degradación térmica y la oxidación. Algunos transformadores no contiene aceite mineral sino líquidos sintéticos tales como: silicona, R-Temp. Ó askarel

Hay varias razones de peso para realizar pruebas periódicas al aceite dieléctrico: primero las pruebas indicaran las condiciones internas del transformador. Cualquier síntoma de lodo permitirá retirarlo del transformador antes de que penetre y ocasione algún daño en los bobinados y las superficies interiores del transformador, prolongando su vida útil .Otra ventaja es la reducir las salidas no programadas, si se detecta algún problema, entonces se toman las medidas que impidan las interrupciones.[3]

Punto de congelación. Es una medida de la capacidad del aceite para fluir a baja temperatura. No existen evidencias que sugieran que esta propiedad se vea afectada durante el deterioro normal del aceite. Los cambios en el punto de congelación pueden normalmente interpretarse como resultado del rellenado con un tipo diferente de aceite. [2]

Densidad. La densidad puede ser útil para identificar el tipo de aceite. En climas fríos, la densidad del aceite puede ser importante para determinar la idoneidad de su uso.

Por ejemplo, los cristales de hielo formados a partir de agua libre pueden flotar en aceites de alta densidad y conducir a contorneamiento durante la posterior fusión. Sin embargo, la densidad no es significativa para comparar la calidad de diferentes muestras de aceite. No existen evidencias de que la densidad se vea afectada por el deterioro normal del aceite. [2]

Conexión Z

El banco aterrizador en zig zag normalmente se utiliza para ofrecer un camino a la corriente de falla, de tal manera, que una falla de fase a tierra en un sistema delta, se puede detectar e interrumpir. El tamaño del banco se calcula de acuerdo a la Corriente de falla de fase a tierra multiplicado por el voltaje de fase a tierra y este se multiplica por la constante "K" la cual se determina por el lapso de tiempo requerido para que el relevador opere.

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

Siempre deseable aterrizar al punto neutro de un circuito un sistema eléctrico, pero donde la conexión es en delta, la forma de realizar esta conexión es solo a través de la inclusión de un aparato auxiliar, especialmente diseñado para esto, como lo es el transformador aterrizador.[6]

Fig.7 Transformador aterrizador en zigzag.[6]

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.[6]

Bajo condiciones normales, la corrientes que fluyen a través de corriente de falla monofásica, teniendo un neutro aterrizado.

Fig.8 DIAGRAMA DE CONEXIÓN Y RELACIÓN DE VOLTAJE Y CORRIENTE. [6]

Relación de transformación

En un transformador trifásico o en un banco de transformadores se puede distinguir dos relaciones de transformaciones:

La relación de transformación m es el cociente entre las tensiones asignadas de fase del primario y del secundario:[5]

Conexiones especiales

A parte de las conexiones conocidas y estudiadas anteriormente tenemos unas conexiones especiales con distinta aplicación las cuales veremos a continuación:

• 1. Conexión Delta-Abierto.

Fig.9 esquema de conexión delta-abierto[7]

Fig.10 condiciones de contorno de la conexión delta abierto.[7]

Conexión Scott

Esta disposición se debe al ingeniero americano Charles F. Scott quien la inventó en 1894 cuando trabajaba en la compañía

Westinghouse.

Esta configuración de transformadores monofásicos se basa en el hecho que un sistema trifásico en estrella la tensión compuesta entre dos fases está en cuadratura con la tensión de la tercera fase.

Fig.11 esquema de conexión Scott [7]

Fig.12 relaciones para calculo [7]

Fig.13 tensiones y corrientes de línea en conexión Scott [7]

Conclusiones

• Los transformadores trifásicos tienen similares características que uno monofásico, al igual que sus ventajas y desventajas.

• Las características de un transformador trifásico son de mayor consideración por tratarse ya sea de un banco de transformadores o el transformador trifásico los cuales implican mayor número de devanados y esto a la vez distintas conexiones posibles

• Las pérdidas de un transformador real, son pérdidas que siempre estarán presentes ya sea en gran cantidad o en poca, además serán las mismas que existen en el Transformador Monofásico. Sin embargo las pérdidas en un transformador se las puede reducir considerablemente tomando las medidas necesarias.

Bibliografía

[1] Conexión de transformadores trifásicos en paralelo, Instituto tecnológico de Ciudad Madero, Ing. Ramón Rivero.

[2] Análisis de aceite dieléctrico y su significado, NORMA IEEE C57.104-1991, Laboratorio Fluidos Dieléctricos – TEKNIKER

[3] www.kayelectric.net

[4] A. E. FITZGERALD, CHARLES KINGSLEY, JR. STEPHEN D, UMANS. MÁQUINAS ELÉCTRICAS

[5]Universidad de Cantabria, departamento de ingeniería eléctrica y energética, transformadores trifásicos, Miguel Rodríguez.

[6]Transformador aterrizador zig-zag, 3lan.tek(s.a. de c.v.).

[7]Transformadores Especiales, sistemas de tracción, departamento conversión y transporte de energía, Universidad Simón Bolívar, Alexander Bueno, 2009.

Autor:

Luis Zhunio,

Adrian Moscoso,

Kevin Jaramillo

Universidad Politécnica Salesiana

CUENCA – ECUADOR