Bornas (Bushings) de Transformadores

Uno de los elementos fundamentales del transformador son las bornas o pasatapas, que como es sabido tienen como función la de servir de interconexión entre los bobinados y las redes externas, y que por una parte, han de conducir la corriente y por otra, aislar el conductor a su paso a través de la tapa o cuba del transformador y conseguir la estanqueidad necesaria para evitar el escape del dieléctrico.

Se pueden establecer las siguientes clasificaciones:

• Según estructura del cuerpo aislante: bornas con aislamiento sólido (tipo DIN) y bornas condensadoras.
• En función de los medios que interconectan: bornas aceite-aire, aceite-aceite y aceite-gas SF6 (Figura 1).

Bornas aceite/aire con cuerpo aislante de silicona y porcelana para rangos de tensión entre 24 y 550 kV y corriente hasta 5000 A

Bornas aceite/SF6 para rangos de tensión entre 36 y 550 kV y corriente hasta 4000 A

Bornas aceite/aceite para rangos de tensión entre 72,5 y 550 kV y corriente hasta 4000 A

Borna aceite/aire para rangos de tensión entre 69 y 550 kV y corriente hasta 5000 A, para altos niveles sísmicos

Figura 1: Ejemplos de Bornas según los medios que interconectan 

En las bornas con aislamiento sólido, el máximo gradiente de potencial se produce al paso del conductor por el orificio practicado en la tapa; este gradiente lo soporta tanto la porcelana como el aceite existente entre aquélla y el conductor, de ahí, que actualmente no se utilicen para tensiones superiores a los 52 kV de tensión máxima de red, puesto que para tensiones más elevadas, el gran tamaño de la porcelana y la cantidad de aceite interpuesto las hacen prácticamente inviables. 

Para poder elevar el nivel de tensión en las líneas de transporte se requería diseñar bornas para los transformadores de dimensiones adecuadas y fiables. 

Estos requerimientos dieron lugar al desarrollo de la borna tipo condensador, el principio de funcionamiento está basado en reducir de forma progresiva el gradiente de potencial hasta hacerlo cero a su paso por el orificio de la tapa (figuras 2).

Figura 2: Gradiente eléctrico en Bornas,

a) Borna sin condensador.

b) Borna con condensador.

La borna condensadora está compuesta por los mismos elementos que la borna con aislamiento sólido, pero incorporando una estructura condensadora.

El condensador (ubicado en el interior del cuerpo aislante de porcelana o silicona y rodeando al conductor) está formado por varias capas metálicas separadas por láminas aislantes. La primera capa del condensador se conecta al conductor, es decir está al 100% de potencial, y la más externa se une a tierra, de esta forma la tensión se reparte entre todas las capas del condensador de manera uniforme (figura 3).

Figura 3: Principio de funcionamiento de las Bornas condensadoras

En este tipo de bornas, el cuerpo de porcelana o silicona básicamente realizan una función mecánica, es decir se utiliza para proteger el condensador y hacer más rígido el conjunto.

Bornas con cuerpo aislante sólido (porcelana)

Estas bornas, denominadas también tipo “DIN”, están compuestas básicamente por los siguientes elementos:

• Un cable o varilla conductora elemento de unión entre el bobinado y la línea exterior.
• Un cuerpo de porcelana que envuelve a conductor aislándolo a su paso por la tapa.
• Una caperuza metálica dotada de un sistema de apriete, que mediante una junta anular semi-tórica de neopreno realiza un cierre hermético con la porcelana y evita la salida del aceite del transformador. La caperuza dispone de un orificio normalmente tapado con un tornillo roscado que permite efectuar el purgado de aire.

Suele llevar también otro taladro roscado para alojar el descargador superior.

• En unos casos una brida metálica, y en otras piezas de presión (“garras”) individuales que sirven de elemento de presión para mantener rígidamente unida la borna a la tapa del transformador.
• Una junta (plana o toroidal) se monta entre borna y la tapa para asegurar la estanqueidad y evitar el derrame de aceite.

Figura 4 : Bornas para Transformadores Media Tensión tipo DIN

Figura 5: Bornas para Transformadores Baja Tensión tipo DIN

El aceite del transformador (excepto en transformadores de distribución del tipo “hermético de llenado integral”) debe bañar totalmente el espacio entre la parte interior de la porcelana y el conductor, de ahí la necesidad de disponer de un tornillo de purga que permita evacuar el aire que pueda quedar ocluido en el interior de la borna.

Actualmente la gama de utilización de estas bornas se extiende desde 1 kV a 52 kV de tensión máxima de red y desde 250 a los 3.150 A de intensidad nominal.

Bornas condensadoras

Las bornas condensadoras constan básicamente de los siguientes elementos:

• Cable o varilla conductora: por un extremo mediante un conductor, se une al bobinado y por el otro se conecta a una pieza metálica terminada en un perno externo para efectuar la conexión a la línea exterior con un conector de presión. Generalmente se utiliza cable flexible hasta los 800 A, y varilla rígida para intensidades mayores. Esta varilla termina en un deflector, elemento metálico de forma redondeada y puesto a potencial con objeto de uniformizar el campo eléctrico en torno a la unión.
• En este último caso, la unión del cable del bobinado a la borna queda dentro de un receptáculo
• Condensador: bobinado sobre un tubo metálico puesto a potencial y que rodea al conductor (cable o varilla).
• Cuerpo de porcelana o silicona que envuelve al condensador protegiéndolo y haciendo rígido el conjunto y bañado por aceite propio. Incorpora una brida metálica como elemento de unión a la tapa del transformador.
• Carcasa: que sirve como depósito conservador para la expansión del aceite de la borna; generalmente dispone de un indicador de nivel y un tapón para relleno del aceite propio de la borna. Este mismo orificio (situado en la parte superior de la carcasa) sirve para la verificación del nivel de aceite de la borna cuando ésta carece de nivel.

Figura 6 : Válvula de toma de muestras de aceite

• Toma capacitiva: es un dispositivo que permite (a voluntad) el conectar o desconectar a tierra la última capa del condensador con objeto de verificar el estado del aislamiento del mismo. Consiste en una pequeña caja dentro de la cual se ubica un terminal unido internamente al condensador; un tapón roscado (o atornillado) a la caja, protege al terminal y lo pone a tierra mediante una pinza interna. Para efectuar medidas de aislamiento y capacidad se desmonta el tapón quedando entonces el terminal libre y a la vista, y por tanto el condensador aislado y dispuesto para medidas.

Figura 7: Toma de pruebas para medidas de aislamiento y capacidad

El aislamiento del condensador puede ser de tres tipos:

• RBP (resin-bonded paper): para el condensador de estas bornas se utiliza papel tratado con resina (papel bakelizado). Durante la fabricación del bobinado del condensador se da calor al conjunto con objeto de conseguir la polimerización de la resina que impregna el papel. Actualmente las bornas de este tipo han dejado de fabricarse, aunque existen muchas unidades aún en servicio.
• RIP (resin impregnated paper): son aquéllas en las que se utiliza papel sin tratamiento alguno, y posteriormente una vez finalizado el bobinado sufren un proceso de impregnación y secado en resina bajo vacío.
• OIP (oil-impregnated paper): este tipo utiliza igualmente papel sin tratar, y finalizado el bobinaje tras un cuidadoso secado se impregna de aceite también bajo vacío.

Figura 8: Comparación de características constructivas de pasatapas RIP y OIP

El cuerpo aislante de porcelana o silicona de las bornas del tipo aceite-aceite o aceite-SF6 son lisas, es decir carecen de “rizos” ya que el dieléctrico en que van inmersas tiene una capacidad aislante muy superior a la del aire.

Las Bornas se fabrican hasta las tensiones que el mercado solicite, donde 1100 kV en CA y 800 kV en CC son las tensiones mayores que actualmente se utilizan en sistemas eléctricos, para fines de pruebas se han fabricado hasta tensiones de 1800 kV en CA con longitud de aisladores de 15 m.

Figura 9: Transformador de convertidor ABB de 800 kV de CC

FUENTES BIBLIOGRÁFICAS

ABB: Curso sobre: Transformadores de Potencia
Catálogo: Micafil Transformer Bushings AirRIP / RTKF 24 – 550 kV
Jornadas Técnicas Bornas, ABB Lisboa Julio 2013

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Protección de baterías de Condensadores

La necesidad de compensar las líneas e instalaciones mediante condensadores serie y derivación es fundamental a causa de la extensión de las redes y la separación de los centros de generación y consumo, así como por la mayor utilización de cargas reactivas (motores, etc.).

Por razones económicas la evolución tecnológica ha desplazado los compensadores síncronos y hoy día el uso de las baterías de condensadores está muy extendido. Por otra parte, la instalación de reactancias shunt (particularmente en las redes de transporte) constituye el complemento de las baterías de condensadores para sustituir con plenitud las funciones de los compensadores síncronos.

Rentabilidad

La compensación mediante condensadores serie tiene su justificación en el aumento de la capacidad de transporte de las líneas y los márgenes de estabilidad de la red, y en la reducción de las pérdidas, al mejorar la distribución de carga en las líneas paralelas.

1.- Generalidades

Las protecciones que se disponen en instalaciones de baterías de condensadores estáticos deben responder a las premisas siguientes:

a) Sensibilidad y rapidez en la detección y desconexión, de la parte averiada de la batería, en caso de cortocircuito.

b) Selectividad de la desconexión:

1. En el caso de que existan varios escalones deberá desconectarse el averiado.
2. En el caso de avería en un bote, de estar protegido el mismo por un fusible externo o interno, deberá poder seguir funcionando el escalón después de aislada la avería del bote siempre y cuando la instalación lo permita, o sea, de interés para el usuario.

c) Fiabilidad y estabilidad en el funcionamiento de las protecciones.

1. Deberán disponerse las protecciones necesarias según sea el tipo de conexión de los bornes en la batería.
2. Deberán ajustarse debidamente las protecciones para evitar actuaciones inadecuadas.

             Figura 1: Conexión simple estrella                          Figura 2: Conexión simple triángulo

2.- Disposición de las protecciones

Las protecciones empleadas en instalaciones de baterías de condensadores dependen de la potencia de las mismas y de su conexionado.

Los sistemas usuales de conexionado en baterías de condensadores son en estrella y triángulo (ver figura 1 y 2 respectivamente).

Según el conexionado elegido de los dos antes citados pueden disponerse las variantes siguientes para cada uno de ellos:

2.1.- Conexión simple estrella

a) Los botes a instalar por fase están dimensionados para la tensión fase-neutro (figura 1)

b) Los botes a instalar por fase no están dimensionados para la tensión fase-neutro, lo cual exige la instalación de 2 o más botes en serie (figura 3)

Figura 3: Conexión simple estrella con montaje en serie

Las protecciones usualmente empleadas en este tipo de conexión son las indicadas en la figura 8.

2.2.- Conexión doble estrella

a) Los botes a instalar por fase están dimensionados para la tensión de fase-neutro (figura 5).

Figura 4: Conexión doble estrella

a) Los botes a instalar por fase no están dimensionados para la tensión fase-neutro, lo cual exige la instalación de 2 ó más botes en serie (figura 4).

Figura 5: Conexión doble estrella con montaje en serie

Las protecciones usualmente empleadas en este tipo de conexión son las indicadas en la figura 9.

2.3.- Conexión triángulo (simple y doble)

a) Los botes a instalar por fase están dimensionados para la tensión compuesta (figura 2)

b) Los botes a instalar por fase no están dimensionados para la tensión compuesta, lo cual exige la instalación de 2 ó más botes en serie (figura 8).

Figura 6: Conexión simple triángulo con montaje en serie 

Las protecciones usualmente empleadas en este tipo de conexión son las indicadas en la figura 10.

3.- Protección de Sobreintensidad

Su misión consiste en desconectar el interruptor cuando se produce un cortocircuito entre fases o a tierra en la batería.

Generalmente, dicha protección no es sensible a las averías internas de los elementos que componen la batería.

Se acostumbra a instalar dos relés de fase y un relé de neutro a tiempo inverso o independiente, con elemento instantáneo en los relés de fases.

Cuando la batería se compone de varios escalones, cada uno de ellos incorporará su propia protección de sobreintensidad.

La protección de sobreintensidad del interruptor principal habrá de ser selectiva con las de los escalones.

Si la red a la que se asocia la batería está aislada (sin neutro a tierra), el relé de tierra puede ser omitido.

4.- Protección de Sobretensión y subtensión

Las baterías de condensadores son instalaciones muy sensibles a la tensión y al tiempo máximo permisible de las sobretensiones.

En el caso de un «cero» de tensión, es necesario desconectar las baterías para poder controlar debidamente la conexión posterior y los problemas que de ello se derivan.

Se acostumbra a instalar dos relés de tensión a tiempo independiente. Esta protección también puede conseguirse utilizando el criterio de intensidad, ya que la intensidad absorbida por la batería es función de la tensión aplicada.

La utilización de la protección de sobreintensidad como protección de sobre y subtensión tiene la ventaja de evitar la instalación de transformadores de tensión, además de simplificar y abaratar el conjunto de la protección.

Figura 7: Característica de sobretensión en función del tiempo que puede soportar una batería (IEC 60070)

5.- Protección de Desequilibrio

Cuando se produce la avería de algún elemento de los que componen la batería de condensadores, esta anomalía supone una modificación de la impedancia de alguna de las fases y, por consiguiente, la aparición de desequilibrios en las intensidades y tensiones.

Las protecciones de desequilibrio se basan en la medida de las corrientes o tensiones diferenciales que se detectan entre puntos prácticamente equipotenciales. Se utilizan relés a tiempo inverso o independiente.

6.- Esquemas

En función de la disposición de los elementos que componen la batería, las protecciones tendrán el siguiente esquema:

6.1.- Conexión simple estrella

Figura 8: Esquema tipo de protección de condensadores utilizados en conexión simple estrella.

En este caso, la detección del desequilibrio se realiza mediante un transformador de tensión conectado entre el neutro de la batería y tierra. Si se dispone de transformadores de tensión, se puede detectar el desequilibrio utilizando un devanado en conexión triángulo abierto.

6.2.- Conexión doble estrella

Figura 9: Esquema tipo de protección para baterías de condensadores doble estrella.

La detección del desequilibrio se realiza en este caso mediante la medida de la intensidad que circula entre los neutros de las estrellas, originada por la variación de la impedancia de una de las ramas.

6.3.- Conexión triángulo

Figura 10: Esquema tipo de protección para baterías de condensadores en conexión doble triángulo

En la conexión triángulo solamente se puede detectar el desequilibrio si se trata de un doble triángulo. Para ello se mide la corriente que circula en la unión de puntos equipotenciales de los dos triángulos.

7.- Fenómenos de conexión y desconexión en las baterías de condensadores

Al maniobrar una batería de condensadores aparece en la red un régimen transitorio que se puede separar en dos fenómenos distintos.

El primero se produce por el hecho de que la carga del condensador no puede variar instantáneamente, en el momento preciso de la conexión; la tensión de la red toma bruscamente el valor de la tensión inicial del condensador y, en consecuencia, recibe un choque.

Tras este choque inicial, el condensador se carga de acuerdo con una ley que viene determinada por la inductancia y la resistencia de la red, régimen generalmente sinusoidal y amortiguado.

En el caso de grandes baterías de condensadores, el hecho de conectar un nuevo escalón a varios escalones ya conectados puede deteriorar los interruptores de maniobra; por la presencia de corrientes muy elevadas.

Por razones diversas, es necesario fraccionar en escalones las grandes baterías de condensadores. Estos escalones se conectan en función de las necesidades de potencia reactiva de la red.

Ver Post: Sobretensiones de maniobra, en el siguiente link: 

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/09/sobretensiones-de-maniobra.html

Los condensadores de alta tensión no disponen de contactores con resistencias de limitación (como ocurre en BT). 

Figura 11: Interruptor con resistencia de inserción para baterías de condensadores

Se recomienda la utilización en MT de interruptores de SF6 en lugar de los de vacío. La capacidad de los disyuntores de corte en vacío, de interrumpir corrientes de alta frecuencia, los hace más sensibles a los precebados múltiples que otros disyuntores, por ejemplo, los disyuntores de SF6 no cortan prematuramente las corrientes de alta frecuencia por lo que no provocan más de un reencendido, se dice por ello que su corte es “suave”.

Ver post: ¿Qué elegir: interruptor automático SF6 o Vacío? En el siguiente link: 

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/08/que-elegir-interruptor-automatico-en.html

Figura 12: Registros de las tensiones e intensidad de conexión y desconexión de una batería de condensadores, utilizando este tipo de interruptor

Si bien para la conexión de una batería de condensadores no fraccionada no se precisa imperativamente un interruptor de gran velocidad de cierre, en el caso de una batería constituida por escalones la velocidad de conexión debe ser suficientemente elevada para limitar el número de precebados.

Figura 13: Instalación con inductancias de choque en serie “L” para amortiguar el fenómeno de conexión 

8.- Problemas ligados a los condensadores en presencia de armónicos 

En presencia de armónicos, la instalación de condensadores tiene el riesgo de provocar amplificación de corrientes y tensiones armónicas y problemas consecuentes tales como resonancia con inductancias instaladas en la misma red. 

En el caso de conexión estrella de baterías de condensadores, el punto neutro se aísla de tierra con el fin de evitar la circulación de corrientes armónicas homopolares en los condensadores de las redes con neutro a tierra y en las redes con neutro aislado, para no aumentar la capacidad a tierra de la red. 

Ver Post: Influencia de los condensadores en redes con armónicos, en el siguiente link:

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/influencia-de-los-condensadores-en.html

Hoja de cálculo de frecuencias de resonancia en baterías de condensadores, en el siguiente link:

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/hoja-de-calculo-de-frecuencias-de.html

Filtros activos, solución para mejorar la calidad de las redes eléctricas, en el siguiente link:

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/08/filtros-activos-solucion-para-mejorar.html

9.- Orientaciones sobre el ajuste de las protecciones

9.1.- Protección de sobreintensidad

Los relés de fases se regulan a 1,5 In.

(In = intensidad nominal de la batería) y con una temporización del orden de 0,3 s en los relés de tiempo definido y con la curva ½ en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.

El elemento instantáneo de los relés de fases se regula a 10 In.

El relé de tierra se regula a 0,5 In y con una temporización del mismo orden de los relés de fases.

La presencia de fusibles internos en los condensadores es una mejora que refuerza la continuidad del servicio. La batería puede mantener entonces su función con varios elementos desconectados.

9.2.- Protección de desequilibrio

9.2.1.- Fórmulas y Cálculo de desequilibrio

Para la determinación de los ajustes de las protecciones es necesario calcular, previamente, las corrientes y tensiones que aparecen en determinados supuestos de anomalía en la batería; por ejemplo, cortocircuito en un elemento. Para ello son de mucha utilidad las fórmulas que se establecen a continuación y que permiten conocer diversas magnitudes en el caso de desequilibrio en una fase de una carga trifásica.

Toda batería de condensadores, con el neutro aislado, cualquiera que sea su tipo de conexión (estrella, doble estrella, triángulo, doble triángulo), puede representarse por una estrella de impedancias. Cuando se produce una anomalía en una de las fases, el resultado es que la impedancia de esa fase varía respecto a la de las otras, de tal modo que:

Obteniéndose entonces el siguiente esquema de desequilibrio:

Figura 14: Esquema de desequilibrio

9.2.2.- Detección por tensión

El relé de alarma (si lo hay) se regula al 50% de la tensión de desequilibrio correspondiente a la avería de un bote y con una temporización del orden de 3 s en los relés de tiempo definido y con curva de 10 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.

9.2.3.- Detección por corriente

El relé de alarma (si lo hay) se regula al 50% de la corriente de desequilibrio correspondiente a la avería de un bote y con una temporización del orden de 3 s en los relés de tiempo definido y con curva de 10 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.

El relé de disparo se regula al 70% de la corriente de desequilibrio correspondiente al límite admisible por avería de uno o varios botes y con una temporización del orden de 3 s en los relés de tiempo definido y con la curva 10 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.

9.3.- Protección de sobretensión y subtensión

Un relé de sobretensión se regula a 1,1 Un (Un = tensión nominal de la batería) y con una temporización del orden de 1 s en los relés de tiempo definido y con la curva de 3 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.

El relé de subtensión se regula a 0,3 Un y con una temporización del orden de 5 s en los relés de tiempo definido y con curva de 10 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.

FUENTE BIBLIOGRÁFICA: 

ASINEL: Baterías de condensadores en derivación

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Cómo evitar la Ferroresonancia en las redes eléctricas

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Consecuencias de la circulación de energía reactiva en los equipos eléctricos

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Corrección de la energía reactiva

Corrección de reactiva: condensadores, baterías

La potencia eléctrica que consume un receptor, llamada potencia aparente S, es el producto de la tensión que lo alimenta y la intensidad que circula por él.

Esta magnitud es vectorial y se compone de la potencia activa P, parte real, y la potencia reactiva Q, parte imaginaria:

Potencia aparente

Matemáticamente se suele expresar que:

Conociendo el valor de P, de la lectura del contador de activa, conociendo el factor de potencia cos ϕ , el valor de la potencia reactiva Q queda determinado, ya que:

La potencia activa se mide con contadores de activa, mientras que la reactiva se mide con contadores de reactiva y se suele relacionar, también, con el factor de potencia (cos ϕ).

Factor de potencia y cos ϕ

El Factor de potencia es el coseno del ángulo de desfase existente entre tensión e intensidad, si la tensión y la corriente son senoidales.

De no ser senoidales, el factor de potencia es:

Y el cos ϕ sería la relación entre las componentes fundamentales de la potencia activa y la aparente:

Cuando la instalación cuenta con cargas que producen armónicos, aparece una componente más a tener en cuenta en el cálculo de la potencia aparente. Esta potencia adicional se denomina potencia de distorsión (D) que es la generada por los armónicos. El efecto de esta componente armónica es doble, primero provoca un calentamiento generalizado en la instalación y en segundo lugar las baterías de condensadores se ven seriamente afectadas por la presencia de armónicos, llegando incluso a quemarse.

Es importante destacar que, a cos ϕ  constante, a mayor potencia de distorsión D, el factor de potencia cos g es más bajo.

Por tales motivos, el uso de condensadores dotados con filtros de armónicos en estos sistemas contaminados tiene dos objetivos: el principal es prevenir la entrada de corrientes y voltajes armónicos desde agentes contaminantes al resto del sistema y en segundo lugar, proveer al sistema de toda o parte de la potencia reactiva que este necesita.

Motivos para reducir el consumo de energía reactiva

La gestión de la energía eléctrica ha de considerar el consumo de energía reactiva que:

• Sobrecarga las líneas.
• Aumenta la caída de tensión y las pérdidas de potencia.

Está penalizado económicamente. Las compañías eléctricas bonifican en sus tarifas a aquellos clientes cuyo factor de potencia se acerca a 1, mientras las penalizan a medida que el cos ϕ va disminuyendo.

Formas de reducir la potencia reactiva

La potencia reactiva se absorbe por las inductancias (L) y en los condensadores (C), de manera que:

Potencia reactiva 

Q = QL-Qc 

El signo negativo se debe a que mientras las inductancias retrasan la intensidad I respecto a la tensión U las capacidades la adelantan, de manera que las direcciones de los vectores que representan a la potencia reactiva que absorben, son contrarias. 

Habitualmente los motores, lámparas, fluorescentes y la mayoría de elementos son inductivos. 

La potencia reactiva inductiva es debida a las inductancias que contienen los diferentes elementos conectados a la red. Éstas cumplen ciertas funciones en los aparatos, de manera que en general, no pueden eliminarse, y por tanto consumen una energía reactiva que no puede disminuir. 

Una forma de reducir la potencia reactiva Q, teniendo en cuenta que la potencia reactiva inductiva (QL) no puede variar, es incrementar la potencia reactiva capacitiva (Qc), es decir, compensar la reactiva, lo que se realizará a base de intercalar condensadores. 

Compensación de la reactiva intercalando condensadores

Cálculo de la potencia del condensador

(*) Desarrollo de la expresión

La expresión se calcula a partir de las relaciones trigonométricas siguientes:

Cálculo a partir de tablas ya construidas

Otra forma de calcular la potencia del condensador necesaria para compensar la reactiva es el uso de tablas ya construidas:

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Ensayos de calentamiento en Transformadores

 Ensayo de calentamiento de Transformadores en baño de aceite

Norma

Este ensayo se detalla en la norma IEC 60076-2

Función del ensayo

Determinar los calentamientos del aceite y de los devanados AT y BT del transformador.

Modalidades

Un transformador viene especificado con un modo de refrigeración (ONAN, ONAF, ODWF…) tanto interna como externa al transformador.

Así pues, la especificación y la placa de características deben incluir la información sobre los niveles de potencia en los que el transformador respeta dichas limitaciones.

Las normas definen los valores de calentamiento, características del transformador, que son objeto de las garantías y de los ensayos en las condiciones específicas:

- Calentamiento del aceite en la parte alta de la cuba: 60 K

- Calentamiento medio de los devanados:

• Para transformadores ON ó OF : 65 K
• Para transformadores OD: 70 K

Los límites de calentamiento normales se aplican, a no ser que en el pliego de condiciones y en el pedido se indiquen "condiciones especiales de servicio".

Tal es el caso del ensayo de calentamiento del transformador de un devanado con tomas de ajuste que excedan de ± 5%: el ensayo habrá de hacerse en la toma que tenga la corriente más elevada. En esta toma, los límites de calentamiento se aplicarán a la potencia, a la tensión y a la corriente adecuadas.

Si el lugar de instalación no se ajusta a las condiciones normales de servicio (altitud < 1.000 m, -25ºC < Tº ambiente < 40ºC, tensiones de alimentación sinusoidales y simétricas, entorno poco contaminado), los límites de calentamiento del transformador deberán modificarse en consecuencia.

Descripción del ensayo

El transformador debe estar equipado con sus dispositivos de protección.

Tres tipos de medidas de temperatura (Tº) se realizan a intervalos regulares:

• Medida de Tº del aire de refrigeración por, al menos, tres sensores.
• Medida de la Tº del aceite, a través de las vainas para los termómetros situadas en la tapa de la cuba.
• Medida de la Tº de los devanados determinada por la medida de resistencias de devanados. 

Los valores de la temperatura ambiente se obtiene por medio de valores medidos por 3 sensores; para transformadores de potencias nominales hasta 2500 kVA, se toma como calentamiento medio del aceite 0,8 veces el calentamiento del aceite de la parte superior.

Durante el ensayo en cortocircuito, el transformador no está sometido a la tensión asignada y corriente asignada simultáneamente, las pérdidas totales se calculan sumando las pérdidas debidas a la carga a la temperatura de referencia, y las pérdidas en vacío.

Funciones del ensayo:

• Determinar el calentamiento del aceite (Taceite)
• Determinar el calentamiento de los devanados de AT y BT.
• Verificar la potencia nominal del transformador.

Modalidades:

Se distinguen, en orden cronológico, 4 grandes etapas:

a) Anotar las medidas de referencia

b) Puesta en marcha del ensayo de calentamiento

c) Control de la estabilización de las pérdidas en el transformador y medida del calentamiento del aceite (régimen de pérdidas totales),

d) Régimen de corriente asignada durante 1 hora, para determinar el calentamiento de los devanados de AT y BT.

Al menos 24 horas antes de las mediciones de referencia, el transformador se coloca en un lugar apropiado con el fin de obtener temperaturas homogéneas de sus devanados y del aceite.

a) Registro de valores de referencia:

Estos valores permiten determinar los valores de resistencias de AT y BT y la temperatura del aceite, en frío, es decir cuando el transformador no está alimentado y cuando está a temperatura ambiente.

La medida de estas resistencias en frío condiciona el cálculo de los calentamientos de los devanados:

● Medida de las resistencias de AT en frío:

Se utiliza el montaje de "superposición en corriente continua ", después de la estabilización de la corriente en los devanados, se mide la corriente, la tensión y la temperatura del aceite del transformador.

● Medida de las resistencias de BT en frío entre fases para la obtener la curva de refrigeración.

Los valores de resistencia son del orden de miliohmios, la medida se realiza entre dos fases por medio del puente doble de Thomson o por medio del método voltamperimétrico con shunt.

● Medida de las resistencias de BT en frío entre fases y neutro, en el caso de una superposición:

Para esta medida las tres fases de BT son cortocircuitadas, el método de medida es el mismo que para la medida de resistencias en BT entre fases.

● Medida de la temperatura del transformador

Un sensor de temperatura se introduce en una vaina para termómetro en la tapa de la cuba, la temperatura medida corresponde a la máxima del aceite.

b) Puesta en marcha del ensayo de calentamiento

Los devanados de AT del transformador se conectan a la alimentación de corriente continua y a la alimentación trifásica de la plataforma de ensayos, los devanados de BT se conectan en cortocircuito.

Las pérdidas totales, por el método de los 2 vatímetros, son medidas durante toda la noche.

El fin de este ensayo es doble:

• Establecer el calentamiento del aceite, en régimen estable, con disipación de pérdidas totales.
• Establecer el calentamiento medio de los devanados con corriente nominal In.

El ensayo se realiza en dos etapas:

• Con pérdidas totales: para ello el transformador se somete a una tensión de ensayo tal que la potencia activa medida es igual a las pérdidas totales del transformador y a una corriente de ensayo superior a In.
• Se vigilan las temperaturas del aire y del aceite y se continúa con el ensayo hasta que se consigue que el calentamiento del aceite se estabilice.
• Con inyección de la corriente asignada: después de obtener el régimen estable, el ensayo debe continuar con una corriente más reducida de la corriente nominal, mantenida durante una hora con observación continua de las temperaturas del aceite y del aire.

NOTA: Una medida de referencia (R1, θ1) de las resistencias de los devanados se realiza a temperatura ambiente, en régimen estable.

En cambio, la temperatura del devanado de BT, θ2 y la resistencia R2 se determinan por la relación:

Con: X = 235 ºC para el cobre 

         X = 225 ºC para el aluminio 

Correcciones: 

Si los valores especificados de potencia, o corriente, no se pueden obtener durante el ensayo, los resultados deben ser corregidos 

• Calentamiento del aceite por encima de la temperatura ambiente, obtenida durante el ensayo se multiplicará por:

Con X = 0,8 ó 0,9 ó 1 según sea el modo de refrigeración del transformador

• Calentamiento medio de los devanados por encima de la temperatura media del aceite, se multiplicara por:

Con y = 1,6 ó 2 según el modo de refrigeración del transformador

c) Control de la estabilización y medida del calentamiento del aceite:

Se controlan:

• La corriente en cada fase y la potencia; esta potencia corresponde al ± 20% de las pérdidas totales,
• La temperatura (Tº) del aceite, de los devanados de AT y del aire ambiente:

El calentamiento máximo del aceite viene definido por:

En la práctica, la temperatura ambiente se obtiene por la media de las indicaciones de tres termómetros situados a 1 m. y a media altura de la cuba del transformador sumergidos en vasos con aceite para evitar efectos intempestivos de corrientes de aire.

Cuando la estabilización se obtiene con pérdidas P diferentes de las pérdidas totales (Pt), se aplica la siguiente corrección:

Con:

∆T aceite = calentamiento del aceite con pérdidas totales

∆T aceite medido = calentamiento del aceite a la potencia medida

X = 0,8 ó 0,9 ó 1 según el modo de refrigeración del transformador

d) régimen nominal (durante una hora):

Para realizar esta medida, la corriente inyectada corresponde a la corriente nominal (In).

Al cabo de una hora, se alcanza el régimen nominal, se obtienen entonces los valores siguientes:

• Las corrientes y potencias suministradas.
• La temperatura del aceite y del aire ambiente.
• La resistencias de AT, elevando la corriente y la tensión de alimentación en corriente continua.

Podemos deducir el calentamiento de los devanados de AT por la fórmula:

Siendo: 

Rc = resistencia en caliente medida gracias a la alimentación en corriente continua 

R0 = resistencia en frío medida por el mismo método 

t0 = temperatura de referencia en frío 

K = coeficiente de temperatura 

ta = temperatura ambiente media al final del régimen nominal 

∆Tapt = calentamiento del aceite con las perdidas totales medido en la vaina del termómetro situado en la tapa de la cuba 

∆Tarn = calentamiento del aceite al régimen nominal medido en la vaina del termómetro situado en la tapa de la cuba 

Las resistencias de los devanados de BT son medidas: 

• Bien entre fase y neutro, según los valores indicados en el puente doble de Thomson, conectado a la alimentación de corriente continua. 
• Bien entre fases, con la ayuda del puente doble de Thomson o por el método voltiamperimétrico con shunt. 

Se cortan la alimentación de alterna y continua, y se desmonta el cortocircuito para obtener las resistencias entre fases cada 15 segundos, durante 8 minutos. 

Estas medidas de resistencias medidas a intervalos de tiempo regulares permiten determinar la curva de enfriamiento. 

Por extrapolación, se determinan los valores de la resistencia a t = 0; se puede con ello deducir el calentamiento de los devanados de BT. 

Esquema de principio: 

• De alimentación en corriente alterna

•   Con alimentación en corriente continua AT

(añadido al montaje de alimentación de corriente alterna para las medidas de las resistencias de los devanados de AT en caliente)

•       Con alimentación en corriente continua en BT

(para la medida de las resistencias de los devanados de BT entre fases y neutro; Rt)

G: Galvanómetro

L1, L2: Inductancias de filtro

Ensayo de calentamiento en Transformadores secos

Norma

Este ensayo se detalla en la norma IEC 60076-11

Función del ensayo

Determinar los calentamientos de los devanados AT y BT del transformador.

Modalidades

Un transformador viene especificado con un modo de refrigeración que sirve para limitar su calentamiento (AN, AF, GNAN, GNAF).

Así pues, la especificación y la placa de características deben incluir la información sobre los niveles de potencia en los que el transformador respeta dichas limitaciones.

Las normas definen los valores de calentamiento, características del transformador, que son objeto de las garantías y de los ensayos en las condiciones especificadas.

Los límites de calentamiento normales se aplican, a no ser que en el pliego de condiciones y en el pedido se indiquen "condiciones especiales de servicio".

Tal es el caso del ensayo de calentamiento del transformador de un devanado con tomas de ajuste que excedan de ± 5%: el ensayo habrá de hacerse en la toma que tenga la corriente más elevada. En esta toma, los límites de calentamiento se aplicarán a la potencia, a la tensión y a la corriente adecuadas.

Si el lugar de instalación no se ajusta a las condiciones normales de servicio (altitud < 1.000 m, -25ºC < Tº ambiente < 40ºC, tensiones de alimentación sinusoidales y simétricas, entorno poco contaminado), los límites de calentamiento del transformador deberán modificarse en consecuencia.

Descripción del ensayo

El transformador debe estar equipado con sus dispositivos de protección.

La norma propone varios métodos: en este texto elegimos el método de simulación de funcionamiento con carga.

Consiste en llevar a cabo dos ensayos separados, para medir las pérdidas totales debidas al calentamiento:

• el ensayo en vacío: se miden los calentamientos individuales ∆θ0 de los devanados (pérdidas en vacío), bajo tensión asignada hasta el régimen establecido.
• el ensayo en cortocircuito se efectúa inmediatamente después del ensayo en vacío: un devanado es recorrido por la corriente asignada y el otro está en cortocircuito.

Se miden los calentamientos ∆Ucc de cada devanado (pérdidas en cortocircuito) hasta el régimen establecido.

Se calcula entonces el calentamiento global de cada devanado ∆θ mediante la fórmula:

Correcciones de calentamiento en caso de corriente reducida

Si un 90% In ≤ corriente de ensayo It < In, los calentamientos ∆θt de los devanados se miden por el método de variación de resistencia cuando se alcanza el régimen establecido; después se corrigen para obtener los calentamientos ∆θn en las condiciones asignadas de carga, por la fórmula:

con q = 1.6 para los transformadores AN (refrigeración natural por aire)

con q = 1.8 para los transformadores AF (refrigeración forzada por aire)

Modalidades

Los ensayos de calentamiento se realizan con el transformador ajustado en su toma principal. Cronológicamente, se distinguen 3 etapas principales:

a) registro de las medidas de referencias;

b) ensayos en vacío;

c) ensayo en cortocircuito;

Al menos 24 horas antes de tomar las medidas de referencias, se coloca el transformador en un local adecuado, para obtener una homogeneidad de la temperatura de sus devanados.

a) registro de los valores de referencia:

Se determinan los valores de las resistencias AT y BT, así como la temperatura de los devanados en frío, cuando el transformador no está alimentado y está a temperatura ambiente.

Los valores medidos sirven de referencia y condicionan el cálculo de los calentamientos de los devanados:

● Medida de la temperatura del transformador:

Se utiliza una sonda termopar, que se coloca entre dos devanados AT y BT, para deducir una temperatura media.

● Medida de la resistencia AT en frío entre fases, para la elaboración de la curva de refrigeración:

Esta medida se realiza mediante el método voltamperimétrico.

● Medida de la resistencia BT en frío entre fases, para la elaboración de la curva de refrigeración:

Al ser los valores de resistencia del orden de un miliohmios, la medida se realiza entre dos fases con el puente doble de Thomson.

● Medida de la resistencia AT en frío entre fases, en caso de superposición:

Se utiliza un montaje de "superposición en corriente continua". Después de estabilizar la corriente en los devanados, se mide la corriente y la tensión, y se deduce la resistencia AT en frío entre fases.

b) ensayo en vacío:

Los devanados BT del transformador se alimentan bajo la tensión asignada del transformador.

Se mide la temperatura ambiente por la media de las indicaciones de 3 termómetros, situados a 1 metro, y a media altura del transformador. Se sumergen en unos tarros de aceite, para evitar efectos imprevistos de las corrientes de aire sobre la medición.

Los termopares que miden la temperatura de calentamiento del transformador están dispuestos en la parte superior del circuito magnético, y sobre el devanado BT, de conformidad con la norma.

Las medidas se visualizan en tiempo real, sobre un trazador de curvas que refleja la evolución del calentamiento. Una vez que se alcanza el régimen establecido (calentamiento constante), se realiza el "corte" eliminando la alimentación del transformador. A partir de ese instante, el transformador se enfría: se mide la resistencia de los devanados AT y BT cada 15 segundos, con el método voltamperimétrico para el devanado AT y con el puente doble de Thomson para el devanado BT.

Estas medidas de las resistencias a intervalos de tiempo regulares permiten establecer la curva de enfriamiento: es el método de variación de resistencia.

Nota: Si se realizan ensayos en vacío, la inercia térmica del circuito magnético es grande y en general el valor de la resistencia varía poco: así pues, se toma un valor medio de resistencia.

Determinación de las condiciones de equilibrio térmico

El calentamiento final se alcanza cuando el calentamiento se vuelve constante, es decir, si no varía más del 2% del calentamiento admisible o de 2 K (se elegirá el menor de ambos valores).

Para ello se utilizan termopares o termómetros colocados en el centro de la culata superior, lo más cerca posible de los conductores interiores del devanado BT, en su parte más alta. La medida interior se toma sobre la columna central.

Por extrapolación, el valor de las resistencias de los devanados AT (RAT) y BT (RBT) se determina en el momento del corte (en t = 0); a continuación se puede deducir el calentamiento ∆T para cada devanado AT y BT, mediante la fórmula:

c) ensayo en cortocircuito

Este ensayo se efectúa inmediatamente después del ensayo en vacío. Se cortocircuita el devanado BT y se inyecta la corriente nominal In, en el devanado AT.

También se espera que el calentamiento del transformador alcance su régimen establecido. Una vez alcanzado, se elimina el cortocircuito de la BT y se aplica el método de variación de resistencia, con un puente doble de Thomson. Esto permite evaluar la resistencia del devanado BT en cortocircuito en t = 0.

Para el devanado AT, el método de superposición de corriente continua es generalmente el que mejor se adapta. Permite seguir la evolución de su resistencia en cortocircuito hasta el régimen establecido, donde se obtiene la medida deseada.

Una vez finalizada esta etapa, se utiliza la fórmula anteriormente citada para calcular el calentamiento ∆T de los devanados en cortocircuito.

Queda entonces por calcular el calentamiento global para cada devanado BT y AT, mediante la fórmula:

Esquema de principio:

● Método de variación de resistencia: esquema de principio:

Artículo en PDF en la siguiente URL:

http://www.mediafire.com/download/cu60r2skmlx3qs1/Ensayos_de_calentamiento_en_Transformadores.pdf

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