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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http://www.mediafire.com/download/r1uj4mzz1qaai48/Bornas_de_Transformadores.pdf