El concepto de Tensión de Cortocircuito en Transformadores

 

La tensión de cortocircuito de un transformador es un concepto importante para el diseño de Centros de Transformación.

La tensión de cortocircuito en un transformador puede enunciarse así: Es la tensión que aplicada a uno cualquiera de los dos arrollamientos estando los bornes del otro arrollamiento cerrados en cortocircuito, hace circular por dichos arrollamientos su correspondiente intensidad nominal (figura 1).

Figura 1: Medida de la tensión de cortocircuito

NOTA 1: Para más información sobre la medida de la tensión de cortocircuito, ver post:

Medida de la tensión de cortocircuito y pérdidas en carga en Transformadores secos. En el siguiente link:

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2016/02/medida-de-la-tension-de-cortocircuito-y.html

La tensión de cortocircuito U_cc es, pues, U_cc = I_n · Z_cc , siendo In la intensidad nominal o asignada (son términos análogos) del transformador correspondiente al arrollamiento alimentado por la tensión U_cc y Z_cc la impedancia interna del transformador, referida al arrollamiento alimentado por la tensión U_cc.

Por tanto, la tensión de cortocircuito U_cc depende por una parte de la intensidad nominal que se ha asignado a aquel transformador, y por otra parte, de la impedancia interna del transformador compuesta de la resistencia óhmica R_cc de sus arrollamientos y de la reactancia X_cc debida a los flujos magnéticos de dispersión de los arrollamientos primario y secundario.

Por tanto,

Ahora bien, en los transformadores de potencia, X_cc es sensiblemente mayor que R_cc , de tal manera que a fin de simplificar los cálculos se acostumbra a prescindir de R_cc y considerar Z_cc ≈ X_cc.

La reactancia X_cc depende básicamente de la separación entre los arrollamientos primario y secundario en el transformador. Aumenta al aumentar esta separación pues aumenta la cantidad de flujo de dispersión.

NOTA 2: Para saber cómo influye la tensión de cortocircuito en el dimensionado de un transformador, clicar en el siguiente link:

https://imseingenieria.blogspot.com/2016/08/influencia-de-la-tension-de.html

La impedancia Z_cc es pues un parámetro constructivo; para variarlo habría que modificar el transformador. Es pues independiente del valor de la intensidad nominal que se haya asignado a aquel transformador. Si se varía su potencia nominal, variará su tensión de cortocircuito U_cc en la misma proporción.

La tensión de cortocircuito es un dato que figura preceptivamente en la placa de características del transformador (figura 2) y se expresa en tanto por ciento de la tensión nominal U_n del arrollamiento alimentado por la U_cc , o sea:

Figura 2: Placa de características de un transformador de 1250 kVA con U_cc = 5,97 %

Este valor U_cc % es independiente de cual sea el arrollamiento cerrado en cortocircuito, y cual el alimentado por U_cc. Los valores de U_cc , I_n y U_n serán diferentes pero el de U_cc % será el mismo.

En caso de producirse un cortocircuito en los bornes secundarios del transformador estando su primario alimentado a su tensión nominal U_n, la corriente de cortocircuito que se producirá, estará solamente limitada por la impedancia interna Z_cc del transformador, por tanto: I_cc = U_n / Z_cc .

Ahora bien, según se ha definido antes, Z_cc = U_cc / I_n . Resulta pues que:

La corriente de cortocircuito I_cc será tantas veces mayor que la corriente nominal I_n como la relación entre U_n y U_cc.

Expresando U_cc en tanto por ciento de U_n , se tiene I_cc = I_n · 100/U_cc , fórmula que permite calcular directamente la corriente de cortocircuito I_cc en función de U_cc %. Por ejemplo, si U_cc % vale 4 %, I_cc = 25 I_n.

Se observa que cuanto mayor es U_cc % menor será la corriente de cortocircuito I_cc en relación a la nominal I_n.

En este aspecto es pues deseable una tensión de cortocircuito elevada, a fin de reducir la corriente de cortocircuito y sus peligrosos efectos térmicos y dinámicos.

Ahora bien, hay que tener en cuenta que la impedancia Z_cc es también causa de la caída de la tensión interna ΔU en el transformador.

En efecto, ΔU, a la intensidad nominal I_n, vale:

Si, según lo antes indicado, se prescinde de R_cc , la fórmula queda simplificada a:

Además, como ahora X_cc ≈ Z_cc, resulta:

y, por tanto,

Se consideran aquí tensiones y corrientes senoidales por lo cual el cos φ es la expresión del factor de potencia de los receptores alimentados por el transformador.

La caída de tensión en el transformador depende pues, por una parte de su tensión de cortocircuito, y por la otra de la naturaleza de la carga (receptores).

Para los sistemas de BT, la norma UNE-20 460 recomienda no sobrepasar las siguientes caídas de tensión hasta bornes de los receptores:

Alumbrado, 3%; otras utilizaciones, 5%.

Incluye pues la caída de tensión en el transformador, más las caídas de tensión en las líneas entre éste y los receptores. Esto limita pues el valor admisible de la tensión de cortocircuito del transformador.

En los transformadores de distribución MT/BT de los CT, las tensiones de cortocircuito son:

Transformadores:

– hasta 630 kVA y hasta 24 kV:.............. 4%,

– hasta 630 kVA y 36 kV: ....................... 4,5%,

– de 800 hasta 2 500 kVA y

hasta 36 kV: ........................................ 6%.

Estos valores son el resultado de un compromiso entre el interés en reducir en todo lo posible la corriente de cortocircuito y, por otra parte, la necesidad de limitar la caída de tensión en el transformador.

Los transformadores de distribución se construyen habitualmente con una tensión secundaria en vacío un 5% superior a la tensión nominal de servicio, a fin de tener un margen para la inevitable caída de tensión.

Esta tensión de vacío es la que figura en la placa de características del transformador.

Así, por ejemplo, para tensión de servicio 380 V, el transformador es de 400 V en vacío, y para tensión de servicio 400 V el transformador es de 420 V en vacío.

Al proyectar un CT, es aconsejable atenerse a los valores de U_cc % antes indicados. En efecto, son los valores que acostumbran a figurar en los catálogos de los fabricantes. Las normas de transformadores admiten una tolerancia constructiva para U_cc de ± 10%.

 

 

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