Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos: 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".

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: