Los arrollamientos de los transformadores y su circuito magnético producen pérdidas en forma de energía calorífica. Este calor debe ser evacuado al exterior de forma que no se alcance en los focos de generación ni en otras partes del circuito térmico temperaturas que puedan dañar los aislantes.
En los transformadores podremos aumentar de forma progresiva la carga sin que se produzca ningún fenómeno particular, excepto un creciente aumento de la temperatura, que puede alcanzar, para una determinada potencia, los valores límites correspondientes a la conservación de la calidad de sus aislantes. Siendo, por tanto, este calentamiento el que fijara la potencia máxima de un transformador.
En las normas IEC 60076-1 y 60076-2 se establecen las limitaciones que pueden alcanzarse en los distintos puntos del transformador, por convención, ya que la temperatura exterior varía mucho en función de la hora, estación, clima, etc., se admite limitar las amplitudes de dichas variaciones del modo siguiente:
- Temperatura media ambiente anual: 20 ºC.
- Temperatura media ambiente diaria: 30 ºC.
- Temperatura ambiente máxima: 40 ºC.
- Calentamiento máximo del aceite: 60 ºC.
- Calentamiento medio del cobre: 65 ºC.
- Temperatura ambiente mínima: - 25 ºC
Lo que significa que un aparato eléctrico cualquiera no puede funcionar 24 h. al día, 365 días al año, a 40ºC con su potencia asignada. Si éste es el caso, debe considerarse entonces que 40ºC es la temperatura ambiente media anual. La temperatura permanente no es la temperatura máxima.
Estos valores son muy importantes para la definición del transformador. Si unos aparatos son pedidos para temperaturas ambientes superiores a dichos valores, los calentamientos admisibles son reducidos de tanto, lo que significa que un transformador con temperatura ambiente distinta tendrá el mismo envejecimiento que un transformador estándar. Si uno de las tres ambientes (máx., medias diaria y anual) es superior a los valores normalizados, la disminución de rango se referirá a la mayor diferencia constatada entre los valores reales y normalizados (Tabla 1).
Tabla 1
En el caso nº 1, la disminución de rango de temperatura ambiente será de 5 ºC y, por lo tanto, el transformador será calculado para una temperatura ambiente máxima de 45 ºC.
En el caso nº 2, la disminución de rango de temperatura ambiente será de 10 ºC y, por lo tanto, el transformador será calculado para una temperatura ambiente máxima de 50º C.
Estas definiciones deben aplicarse a las condiciones reales de explotación del transformador: es por tanto necesario tener en cuenta el local donde está instalado. Puede existir una temperatura muy baja fuera del local y en cambio muy elevada dentro.
Las normas indican también disminuciones de rango suplementarias según la altura o las condiciones especiales de utilización: armónicos, etc.
Las normas fijan que la máxima temperatura a que puede estar sometido el aceite del transformador es de 100 ºC. (60 ºC. de calentamiento máximo sobre ambiente de 40 ºC.), basando este valor en las características del aceite, con un amplio margen en el punto de inflamación y para evitar su prematuro envejecimiento.
El proceso completo de transmisión pasa por las siguientes etapas:
- Conducción desde el punto de generación hasta la superficie del metal (cobre o chapa magnética).
- Por convección o circulación forzada del dispositivo de evacuación al medio ambiente.
- Por radiación convección evacuación al medio ambiente.
Por lo que antecede, puede observarse, la importancia que tiene el conocer el ciclo de carga de un transformador con objeto de adecuar su potencia a las exigencias de explotación teniendo en cuenta las probabilidades de sobrecarga su periodicidad y limitaciones así como la influencia de temperaturas ambientes extremas que puedan comprometer las condiciones normales de servicio del transformador.
Las normas IEC 60076 -7 y IEC 60076 -12 dan las definiciones de los distintos “Regímenes de carga” para los transformadores sumergidos y secos respectivamente. Además, deberán tomarse en consideración las limitaciones debidas a las conexiones.
A continuación, se definen los valores normales de carga, de temperaturas ambientes, la esperanza probable de vida y sus influencias mutuas.
Régimen de carga cíclica normal
Durante parte del ciclo (en general 24 h.), se tiene una temperatura ambiente y/o una corriente de carga más elevadas que los valores asignados que están compensados por valores más bajos durante el resto del ciclo. Este régimen puede ser el de funcionamiento permanente (Sobrecarga limitada a 1,5 In en las IEC 60076-7 y 60076 -12). Este ciclo excluye los transformadores de horno o soldadura o las sobrecargas muy breves (arranque de motor,…).
Régimen de carga de emergencia de larga duración
Régimen que resulta de la indisponibilidad prolongada de algunos elementos de la red que no vuelven a ser conectados antes de que los calentamientos en el transformador hayan alcanzado sus valores normalizados. No es un tipo de funcionamiento normal y se puede prever que pocas veces aparecerá; sin embargo puede persistir durante varias semanas o incluso meses y causar un envejecimiento considerable. A pesar de todo, no debería producir ninguna avería debida a un daño térmico o una reducción de la resistencia dieléctrica (Sobrecarga limitada a 1,8 In en la IEC 60076 - 7).
Régimen de carga cíclica de emergencia de corta duración
Régimen de carga excepcionalmente elevado, debido a la aparición de uno o varios elementos de baja probabilidad que perturban severamente el régimen de carga normal de la red; eleva los puntos calientes de los conductores hasta niveles peligrosos y puede causar una reducción temporal de la resistencia dieléctrica. Este tipo de régimen debe producirse sólo rara vez, es necesario reducirlo rápidamente o desconectar en seguida el transformador para evitar un fallo del mismo. (Sobrecarga limitada a 2 In en la IEC 60076 -7).
Envejecimiento del aislamiento y duración de vida
Temperatura asignada del punto caliente del arrollamiento
La base del cálculo del envejecimiento del aislamiento es la temperatura asignada del punto caliente del arrollamiento. Este límite de temperatura es función de la clase térmica del sistema de aislamiento. Es de 98 ºC para los transformadores en aceite y de 145 ºC. para los secos encapsulados (Tabla 2).
Tabla 2
Regla de envejecimiento del aislamiento y duración de vida
Un aislante pierde sus cualidades de manera exponencial en función de la temperatura, a partir de la temperatura asignada del punto caliente del arrollamiento, 98 ºC para los transformadores sumergidos (145 ºC para los transformadores secos encapsulados), la pérdida de las cualidades aislantes se divide por 2 cada 6 ºC para los transformadores sumergidos (10 ºC para los secos encapsulados) Figura 1.
Figura 1
Ejemplo para un transformador sumergido:
Ya que la duración de vida “normal” de un transformador es de aproximadamente 30 años, si se utiliza el aparato con una temperatura asignada del punto caliente del arrollamiento de 104 ºC = 98 + 6 en vez de 98 ºC, el transformador durará 30/2 = 15 años.
Si funciona a 110 ºC = 98 ¸ 2 x 6, durará 30/2x2 = 7,5 años
Estos ejemplos simplistas muestran la importancia de un buen dimensionamiento del aparato y de su correcta utilización.
Consumo de duración de vida
Esta regla de consumo de duración de vida funciona en ambos sentidos: un aparato cuya temperatura está permanentemente por debajo de 98 ºC para los transformadores sumergidos (145 ºC para los secos encapsulados) durará más tiempo. En caso contrario, la duración de vida será mucho más corta. El principio de consumo de duración de vida en toda la vida del aparato está basado en el hecho que periodos de sobreconsumo de vida están compensados por periodos de sub-consumo de vida, estén estas diferencias de consumo debidas a diferencias de carga o de temperaturas ambientes.
Por este motivo, la temperatura ambiente puede variar dentro de los límites tolerados, en carga nominal, el mismo transformador puede estar en sobrecarga y luego en subcarga según la temperatura ambiente, pero consumir en total una duración de vida equivalente a su duración real de utilización.
Sin embargo, este principio de compensación tiene un límite importante: si la temperatura del punto caliente del arrollamiento excede un valor máximo admisible establecido en 140 ºC para transformadores sumergidos (190 ºC para los secos encapsulados), el aislamiento se vuelve quebradizo y puede rápidamente producir la avería del transformador.
Por lo tanto, en el cálculo del consumo de duración de vida intervienen la temperatura ambiente y la carga para determinar la temperatura del punto más caliente. Comprobar que no se sobrepasa el máximo valor admisible y evaluar el consumo de duración de vida con relación a la utilización real. Dichos cálculos permiten establecer curvas de carga que figuran en las guías de carga de las normas IEC 60076 –7 e IEC 60076 -12.
Ejemplos de cálculo:
- Ejemplo 1: cálculo de carga cíclica (transformador seco)
La norma IEC 60076 - 7 proporciona las curvas de carga para las distintas clases térmicas así como las distintas constantes de tiempo térmico (que traducen la velocidad de reacción del transformador al cambio de carga).
Los transformadores secos encapsulados de clase F (temperatura del sistema de aislamiento: 155ºC) cuya constante de tiempo es del orden de 0,5 horas.
Por ejemplo, se puede necesitar determinar la potencia asignada de un transformador para un servicio dado: a una temperatura ambiente permanente de 20º C, se busca el dimensionamiento de un transformador seco encapsulado para suministrar 2020 A durante 4 horas y 1444 A durante las 20 horas restantes de cada día (figura 2).
Figura 2
El ratio K2 / K1 es: 2020 / 1444 = 1,4 (Figura 3).
Para trazar la recta de la ecuación K2 / K1 = 1,4 se busca:
para K1 = 1 K2 = 1,4 (K2 = 1,4 x K1)
para K2 = 1 K1 = 0,71 (K1 = K2 / 1,4)
En la curva qa = 20º C, en la línea “4 horas”, los valores de K1 y K2 que dan K2 / K1 = 1,4 son: K2 = 1,135 y K1 = 0,81. Lo que da la carga continua equivalente:
In = 2020 / 1,135 = 1444 / 0,81 = 1783 A
Para una tensión secundaria en vacío de 400 V en trifásico, la potencia asignada será:
P = raiz 3 x 400 x 1783 x 10-3 = 1235 kVA
La potencia normalizada superior es de 1250 kVA.
Figura 3
- Ejemplo 2: cálculo de la carga cíclica (transformador sumergido)
La IEC 60076 -7 proporciona las curvas de carga para los distintos tipos de refrigeración. La clase térmica es única (clase A) y la constante de tiempo está relacionada con el modo de refrigeración (3 horas en ONAN).
Por ejemplo, se puede necesitar determinar la potencia asignada de un transformador para un servicio dado: a una temperatura ambiente permanente de 30º C (temperatura ambiente media anual) un aparato debe poder funcionar cada día a 1750 kVA durante 8 h. y a 1000 kVA durante las 16 h. restantes (Figura 4).
Figura 4
El ratio K2 / K1 es. 1750 / 1000 = 1,75 (Figura 5)
En la curva qa = 30º C y en la línea “8 horas”, los valores de K1 y K2 que dan K2 / k1 = 1,75 son : K2 = 1,05 y K1 = 0,6. De donde una potencia asignada de : Sr = 1750 / 1,05 = 1000 / 0,6 = 1666 kVA.
La potencia normalizada superior es de 2000 kVA.
Figura 5
En conclusión, las sobrecargas y temperaturas ambientes condicionan considerablemente el dimensionamiento del transformador, se trata por tanto de datos muy importantes que deben conocerse cuanto antes para calcular una instalación.
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Muy interesante. Como siempre
ResponderEliminarrealmente excelente..
ResponderEliminarMuy buen articulo, muchas gracias por difundir y compartir los conceptos tan claros.
ResponderEliminarmuy bueno
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