Devanado de AT en
bandas de aluminio en un transformador seco encapsulado
Conductores
En los arrollamientos de los transformadores
se pueden emplear conductores de cobre electrolítico recocido, o de aluminio,
de sección circular para pequeñas intensidades y en forma de pletina
rectangular con aristas redondeadas para las corrientes más intensas.
El cobre
Se emplea un metal completamente puro,
transformado en hilos redondos o rectangulares, a los cuales se les somete a un
recocido para restituirles las propiedades modificadas por las operaciones
mecánicas.
Las características más importantes del
cobre, es que puede ser estirado en hilos del orden de 1/10 de mm. de diámetro,
se le puede recubrir de una fina capa de esmalte y es muy buen conductor de la
electricidad y del calor.
El aluminio
Este metal también puede ser estirado en
hilos. Sin embargo sus características mecánicas impiden obtener un diámetro
menor de 6/10 de mm. El aluminio al aire se recubre de una delgada capa de
alúmina que dificulta la ejecución de los empalmes por contacto, por ello
algunos fabricantes de transformadores recubren los terminales con estaño. En
la actualidad, gracias a su gran maleabilidad, a su elevado calor específico y
a su mayor estabilidad económica con relación al cobre, los arrollamientos de
los transformadores de distribución se fabrican con gran profusión en este
material.
Los conductores cilíndricos empleados en alta
tensión son tratados con aislamiento de esmalte duro y una capa de papel de
celulosa y los de baja tensión son de cobre desnudo aislado con papel de
celulosa de alta resistencia.
Si las grandes potencias de la red imponen al
conductor un trabajo mecánico se puede utilizar aleación de cobre y plata cuya
aleación puede tomar una carga de trabajo y un límite elástico más elevado que
el conductor de cobre electrolítico pero sobre todo, posee la ventaja
adicional, de que las puntas de temperaturas elevadas debidas a cortocircuitos
no tienen un efecto de recocido en el conductor, por lo que mantiene sus
características mecánicas.
También y para fines similares se emplea el
cable transpuesto al epoxi formado por pletinas elementales de aleación
cobre-plata esmaltado a las que se les da una capa de resina epóxica.
Arrollamientos
Los transformadores suelen estar formados
generalmente por dos arrollamientos, uno primario y otro secundario y algunas
veces por tres arrollamientos, uno primario y dos secundarios con voltajes
distintos.
Las bobinas que forman los arrollamientos
generalmente son circulares empleándose diferentes sistemas de bobinados, como
cilíndricos continuos, en galletas capas, etc. según la intensidad y la tensión
de los citados devanados.
Normalmente las bobinas de baja tensión van
montadas en la parte interior junto al núcleo y las de alta tensión
concéntricas y exteriores a las anteriores, van siempre montadas sobre
cilindros aislantes de papel bakelizado de alta resistencia.
Sobre estos cilindros en los bobinados de
hélice y discos, se colocan longitudinalmente tiras aislantes de separación
sobre las cuales se arrollan las bobinas elementales quedando entre éstas y el
cilindro un canal axial de circulación del fluido refrigerante.
Ensambladas con las tiras que forman los
canales axiales se colocan arandelas prensadas de cartón aislante especial que
proporciona la línea de fuga para
garantizar el perfecto aislamiento de las bobinas contiguas.
En los bobinados por capas, se sitúan entre
éstas papeles aislantes y canales de aceite que cumplen la doble función de
aislamiento y refrigeración.
Los arrollamientos primario y secundario son
recorridos por corrientes en sentido opuesto y tienden a repelerse. El
arrollamiento interior está sometido a fuerzas radiales dirigidas hacia dentro
y el de los arrollamientos exteriores hacia fuera (figura 1), por ese motivo se
emplean bobinas circulares que están así sometidas a fuerzas radiales
uniformemente repartidas sobre la circunferencia y que dan lugar a una tensión
de tracción más débil.
Figura 1: Esfuerzos axiales en
los bobinados
Por eso debido a los esfuerzos axiales a que
pueden estar sometidos los arrollamientos a causa de las sacudidas de corriente
pueden tener consecuencias graves si las bobinas no están sólidamente
apretadas.
En transformadores de distribución, el arrollamiento de baja tensión se realiza generalmente siguiendo la técnica de bobinado en banda de cobre o aluminio (Figura 2). Esta técnica permite obtener esfuerzos axiales nulos en cortocircuitos.
Figura 2: Bobinado en banda de aluminio con
soldadura TIG en atmósfera controlada para las conexiones de BT.
Las espiras están
separadas por una película aislante de clase térmica A para transformadores en
baño de aceite y F o H para los transformadores secos encapsulados. En estos
últimos, una vez ensambladas y fijadas las bobinas sobre el circuito magnético,
se impregna el conjunto de ambos con una resina de clase F o H, a continuación
tiene lugar la polimerización de la resina.
Este proceso
garantiza una excelente resistencia a las agresiones de la atmósfera industrial
y una excelente resistencia dieléctrica.
Ver Post: “Bobinados de aluminio en transformadores” en el siguiente
link:
La
presencia de burbujas de aire o gas en el aislamiento de los arrollamientos
pueden dar lugar a un lento deterioro, este efecto es más acusado en el
encapsulado de los transformadores secos, porque son causa de débiles descargas
parciales que se manifiestan por efluvios en las bobinas y por ello es
necesario guardarse de la existencia de tales burbujas de aire o gas, adoptando
las medidas y precauciones necesarias. Ver post: “Descargas parciales en transformadores
secos encapsulados”, en el siguiente link:
Para evitar los
efectos perjudiciales de las descargas parciales, en transformadores sumergidos
se utiliza el filtrado del líquido refrigerante bajo vacío, en cambio, en
transformadores secos encapsulados se han desarrollado procesos de encapsulado
de la resina muy sofisticados y se suelen complementar con técnicas de bobinado
de la media tensión cuyo gradiente de potencial entre espiras resulte ser muy
débil como, por ejemplo, el bobinado continuo de gradiente lineal sin
entrecapas.
Los devanados de los transformadores secos encapsulados
A pesar de ser apreciados por sus cualidades
intrínsecas, los transformadores secos impregnados (normalmente utilizados para
tensiones BT/BT) no son completamente satisfactorios en todos los campos. Su
sensibilidad ante las agresiones externas, tales como el polvo de origen
industrial, humedad, etc. los hace vulnerables y exigen un mantenimiento
adecuado y precauciones de utilización (figura 3, izquierda).
El gran desarrollo de los transformadores secos fue
posible gracias a la tecnología de encapsulado y moldeado al vacío en una
resina epoxi de los arrollamientos de AT, para poder ser utilizados en redes de
24 kV (125/50 kV), 36 kV (170/70 kV), 52 kV
(250/95 kV) y actualmente hasta 72,5 kV (325/140 kV) como límite de
tensión más elevada soportada por el material y potencia hasta 25 MVA..
Por lo tanto, los transformadores secos impregnados
se vieron penalizados en la construcción de arrollamientos para MT, ya que:
- Su tecnología es sensible a los depósitos suspendidos en el aire y a la humedad.
- Su resistencia ante el impulso tipo rayo se limita a menudo a 95 kV (su fiabilidad a 125 kV es muy difícil), lo que le convierte en un material inadecuado para redes de Media Tensión.
- Su diseño es muy vulnerable a las descargas parciales.
Sin embargo, los arrollamientos
de BT en banda (generalmente de aluminio) separada por una película de clase F
o H impregnado en un barniz de clase F o H de acuerdo con la clase térmica
deseada (figura 3, derecha), es una técnica completamente satisfactoria tanto
frente a las agresiones externas como en lo que respecta a su resistencia
dieléctrica. El fenómeno de las descargas parciales omnipresente en la Media y
Alta Tensión, en Baja Tensión es inexistente.
Figura 3: Bobina
estándar de BT impregnada (izquierda), Bobina de BT impregnada en una resina
alquidica (derecha)
En
transformadores secos encapsulados de potencia, el arrollamiento de alta
tensión se bobina empleando cinta de aluminio y lámina aislante de alta calidad entre
espiras.
Varias bobinas individuales se conectan en serie y forman una rama del arrollamiento, (ver foto de
cabecera y figura 4), que se seca y luego se embebe bajo vacío con resina colada. Los extremos del
arrollamiento
y las derivaciones se conectan a terminales con rosca interna que también se embeben
en la masa de resina.
Figura
4: Bobinado de AT en bandas de aluminio formando
bobinas
individuales conectadas en serie
Como se ha indicado
anteriormente, en el caso de los transformadores secos
encapsulados con resina epoxi, se prefiere el conductor de aluminio al del cobre,
debido, entre otras ventajas, a que las diferencias
de dilatación térmica entre los sistemas de recubrimiento y el aluminio son
siempre menores que con relación al cobre, por lo que se reducirán
proporcionalmente a dichas diferencias los esfuerzos internos producidos por la
variaciones de temperatura motivadas por el ambiente, sobrecargas o
cortocircuitos, evitándose, de esta forma, la formación de fisuras en el recubrimiento de resina y, por lo tanto, la generación de descargas parciales que degenerarían en la destrucción
prematura del transformador.
El bobinado en
banda en el arrollamiento de AT reúne simplicidad y alta seguridad a nivel
eléctrico. Los requerimientos dieléctricos del aislamiento de este tipo de
bobinado son inferiores que los tipos de bobinados tradicionales de los
transformadores en baño de aceite. Mientras, que en las bobinas con planchuela
o alambre, la tensión de espira puede sumarse hasta alcanzar el doble de la
tensión de capa (fig. 5a), la tensión de los bobinados en bandas de una sola
espira por capa no sobrepasa la simple tensión de espira (fig. 5b). Al
reducirse las diferencias de potencial entre espiras, disminuyen
considerablemente los niveles de descargas parciales en este tipo de
transformadores.
Figura
5: Ilustración gráfica de las tensiones entre conductores:
a)
Arrollamiento estándar con hilo redondo
b)
Arrollamiento en banda
Figura
6: Bobina en bandas de AT cubierta con malla de fibra de vidrio
dispuesta
para ser introducida dentro de un molde metálico en la autoclave
En los transformadores
de distribución, debido a su menor potencia, se emplea hilo redondo de cobre o
aluminio esmaltado en el arrollamiento de alta tensión, según los diferentes métodos
patentados por cada fabricante, entre los que destacamos el bobinado continuo
de gradiente lineal sin entrecapas del transformador Trihal (Schneider
Electric), este procedimiento permite obtener un gradiente de tensión entre
espiras muy débil y una capacidad en serie más uniforme en la bobina, con lo
que se consigue reforzar las características dieléctricas, con niveles de
descargas parciales particularmente bajos (≤ 10 pC), lo que supone un factor
determinante en cuanto al aumento de la vida útil del transformador y una mayor
resistencia a las ondas de choque tipo rayo.
Torno vertical a velocidad constante
Hilo esmaltado a velocidad variable
Figura 7: Bobinado continuo de gradiente
lineal sin entrecapas
Por lo tanto, el arrollamiento de AT al estar
encapsulado y moldeado al vacío en una resina epoxi ignifuga dispone de las
garantías dieléctricas y de seguridad siguientes:
Encapsulado y moldeado
- Para insensibilizar contra los depósitos de partículas en suspensión en el aire y ante la humedad.
- Resistir ante los impulsos tipo rayo con 125 kV para aislamiento 24 kV, 170 kV para aislamientos de 36 kV, 250 kV para aislamientos de 52 kV y 325 kV para aislamiento de 72,5 kV.
- Aumenta la resistencia mecánica del arrollamiento y su resistencia ante los esfuerzos electrodinámicos, particularmente en caso de cortocircuitos.
- Facilita la reparación con sólo cambiar el arrollamiento afectado.
En vacío
- Para garantizar una penetración perfecta se la resina en el seno del arrollamiento.
- Suprimir cualquier riesgo de burbujas o vacuolas de aire en el recubrimiento.
- Garantizar un nivel de descargas parciales inferior a 10 pC.
Resina epoxi ignifuga
- Garantiza un buen comportamiento al fuego gracias a su difícil inflamación.
- Garantiza una autoextinguibilidad inmediata al cesar el foco de calor.
- No presentan riesgos de contaminación ambiental.
- Garantiza una reducida cantidad de productos de descomposición no tóxicos
- No precisan mantenimiento dieléctrico como en el caso de los aceites.
- Presentan una fácil instalación, sin dispositivos de extinción contra el fuego ni fosos colectores de líquidos.
Por su parte, el arrollamiento de
baja tensión constituido por una banda de aluminio impregnado en resina
alquidica (recubre el bobinado sin moldear), tiene un comportamiento neutro y
satisfactorio ante el fuego. Además, en caso de incendio en el exterior, el
arrollamiento de media tensión es precisamente el que recibe la agresión en
primer lugar y, gracias a ello, funciona como una especie de escudo de
protección térmica para la baja tensión.
Con el conductor de banda, los
esfuerzos electrodinámicos axiales son ínfimos, y. por tanto, resulta inútil
reforzar su resistencia mecánica con un encapsulado moldeado. El arrollamiento
de baja tensión con un conductor de banda, con respecto a un conductor de cable
de grosor desigual, proporciona un arrollamiento menos voluminoso. El cable de
grosor desigual requiere más aislante y, por lo tanto, más espacio.
Con un bobinado tradicional de
cable de grosor desigual (o redondo) los esfuerzos electrodinámicos axiales
sobre el arrollamiento son importantes y requieren un calce importante y una
buena sujeción de las espiras entre sí. En este caso, la solución más adecuada
para un transformador seco encapsulado consiste en moldear el arrollamiento de
baja tensión con una resina epoxi para proporcionarle la resistencia mecánica
requerida, aspecto, que como se ha indicado anteriormente, no es necesario con
el conductor en banda.
Sistema de
encapsulado de media tensión de transformadores secos
Se trata de un
encapsulado por moldeado en vacío con una resina cargada e ignifugada.
El sistema de encapsulado
de clase F se compone de:
- Bobinado continuo de MT a gradiente lineal con hilo esmaltado sin entrecapas o bien con bandas de aluminio para grandes intensidades.
- Resina epoxy a base de bifenol A, cuya viscosidad está adaptada a una alta impregnación de los arrollamientos.
- Un endurecedor anhídrido modificado por un flexibilizador: este tipo de endurecedor asegura una gran resistencia térmica y mecánica. El flexibilizador confiere al sistema de encapsulado la necesaria elasticidad para suprimir cualquier riesgo de fisura en la explotación.
- Una carga activa pulverulenta compuesta de alúmina trihidratada y de sílice, los cuales son íntimamente mezclados con la resina y el endurecedor.
Proceso de encapsulado
de arrollamientos media tensión
Los bobinados de
AT se colocan en un molde, dentro de una autoclave en la que se ha hecho el
vacío, previamente, en un mezclador, la resina se mezcla, se agita, y
desgasifica bajo vacío, se cuela y llenan los moldes que contienen las bobinas,
sometiéndolas después a un proceso de endurecimiento, (el vacío hace posible
que en el recubrimiento no aparezcan burbujas de aire).
Figura
8: Sinóptico del proceso de encapsulado en vacío
La totalidad del proceso,
desde la dosificación a la polimerización, es pilotada por un autómata que
impide cualquier
intervención manual
intempestiva.
Así mismo, la alúmina
trihidratada y el sílice son secados y desgasificados en vacío, con objeto de
eliminar cualquier
resto de humedad y de aire que pudiera perjudicar las características dieléctricas
del sistema de
encapsulado.
Su incorporación
repartida, una mitad en la resina y la otra en el endurecedor, permite obtener,
siempre bajo el
más riguroso vacío y en temperatura óptima, dos premezclas homogéneas.
Un nuevo desgasificado en
capa fina precede a la mezcla final. Se efectúa la colada en vacío en moldes
previamente secados
y precalentados a la temperatura óptima de impregnación. El ciclo de
polimerización comienza por una gelificación a 80 °C y termina por una
polimerización de larga duración a 140 °C.
Figura 9 : Autoclave
y colada de resina llenando los moldes con las bobinas
Continua en Devanados de Transformadores (Parte 2ª)
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