Función de los Transformadores en las Redes Eléctricas

 

La energía eléctrica debe ser transportada desde el centro de producción hasta los  consumidores. El transporte se efectúa en alta tensión para disminuir la intensidad  de corriente y, por tanto, la sección de los conductores.

Los transformadores, con sus diferentes facetas y funciones, están presentes en todas las etapas de utilización de la energía eléctrica adaptando la tensión a las necesidades del transporte, la distribución y de los consumidores.

El transformador, es y ha sido sin duda, el elemento determinante en el desarrollo de las redes de transporte y distribución de corriente alterna.

Grandes transformadores de potencia

Cubren el rango de potencias por encima de 250 MVA, suelen ser transformadores de interconexión de red y generación con cambiadores de tomas con o sin carga, o una combinación de ambos. Dependiendo de los requisitos del lugar, pueden diseñarse como transformadores de devanados múltiples o autotransformadores, en versiones trifásicas o monofásicas. Incluso con valores nominales de más de 1000 MVA y tensiones de hasta 1200 kV, de acuerdo con IEC 60076, así como con otros estándares internacionales y nacionales (p. ej., ANSI/IEEE), (fig. 1).

Figura 1: Transformador de gran potencia

Transformadores de media potencia

Los transformadores de media potencia con un rango de potencia de 30 a 250 MVA y una tensión superior a 72,5 kV también se utilizan como transformadores elevadores de red y generación.

Transformadores de pequeña potencia MT/MT

Los transformadores de pequeña potencia son transformadores de distribución de 5 a 30 MVA con una tensión máxima de servicio de 145 kV. Se utilizan como transformadores de red en redes de distribución (fig. 2).

Este tipo de transformadores son normalmente trifásicos y diseñados de acuerdo con las normas nacionales e internacionales. Los devanados de baja tensión deben diseñarse como devanados en disco o capa.

Los devanados de alta tensión deben utilizar una ejecución de capa o disco, incluidos los conductores transpuestos. Normalmente, el tipo de refrigeración es ONAN (aceite-natural, aire-natural) u ONAF (aceite-natural, aire forzado). Las tomas de regulación se pueden diseñar con cambiadores de tomas sin tensión o bajo carga (OLTC).

Figura 2: Transformador de distribución

Para saber más, ver artículo: “Necesidad delos transformadores de potencia en el transporte y la distribución eléctrica” .

Transformadores elevadores de Central de Generación GSU (Generator step-up)

Figura 3: Unidad trifásica GSU 345/33 kV 760 MVA de una central nuclear

Los transformadores elevadores de generación (GSU, pos sus siglas en inglés) son el enlace imprescindible entre la central eléctrica y la red de transmisión, se cargan con una potencia nominal del 100% las 24 horas del día y los 7 días de la semana a lo largo del año. Se deben diseñar para que resistan la carga térmica de altas corrientes que se alimentan en los bobinados del generador sin que se produzca sobrecalentamiento, lo que acortaría su vida útil debido a un envejecimiento acelerado.

Las unidades GSU transforman la tensión desde el nivel de tensión del generador hasta el nivel de tensión del sistema de transporte eléctrico, pueden alcanzar hasta los 1500 kV con potencias comprendidas entre los 2,5 MVA hasta 1300 MVA (3 fases) y 700 MVA (1 fase). Dichos transformadores suelen estar conectados en YNd.

Los diseñadores deben tener en cuenta las altas corrientes, los campos magnéticos, las zonas de alta tensión, el flujo de aceite y el intercambio térmico en cualquier parte de los bobinados para asegurar la máxima eficacia y fiabilidad.

 Transformadores de interconexión de sistemas

 

Figura 4: Transformador de interconexión de 450 MVA, 800/400 kV

Los transformadores de interconexión conectan sistemas de transmisión con diferentes tensiones para que la potencia activa y reactiva se pueda intercambiar entre ellos. Estos transformadores de potencia están diseñados para resistir a las fuertes tensiones eléctricas de las corrientes y transitorias y de defecto.

Ya que los transformadores de interconexión del sistema nunca se cargan con su potencia nominal máxima, suelen caracterizarse por tener una potencia nominal estándar para intercambiarse con otros transformadores. Se espera que estos transformadores permanezcan en la red durante décadas, y en caso de fallo, la energía fluirá con normalidad hacia otra bifurcación de red. Sin embargo, los fallos sobrecargan la red y aumentan el riesgo de fallos en cascada, por eso la alta fiabilidad de los transformadores de interconexión del sistema es crucial para asegurar la estabilidad de la red.

Reactores (fig. 5)

Los reactores (o reactancias, llamados a veces inductores o inductancias) no son transformadores en el sentido de dispositivos que transforman la energía de un nivel de tensión a otro, pero el hecho de tener una estructura y fabricación similares lo convierten en un producto muy adecuado para una estación transformadora.

En las redes de CA, los reactores en derivación (Shunt) y los reactores en serie son ampliamente utilizados en los sistemas para limitar las sobretensiones o para limitar las corrientes de cortocircuito. Cuando existen varias líneas aéreas de alta tensión, con largas distancias de transmisión y con capacidad de red cada vez mayor, ambos tipos de reactores juegan un papel importante en las redes modernas.

Los reactores en baño de aceite se fabrican en dos versiones:

■ Con un núcleo de hierro dividido por espacios de aire.

■ Sin núcleo de hierro, con un circuito de retorno magnético

Figura 5: Reactores

Reactores Shunt

Las líneas de transmisión de gran longitud y las grandes redes de cables de alto voltaje generan una cantidad importante de potencia reactiva. Si no está equilibrada, se producirán aumentos de la tensión crítica con cargas ligeras. Un reactor (el reactor shunt) instalado entre la línea eléctrica y tierra proporciona un medio eficaz para controlar y compensar esa generación reactiva. Esencialmente, el reactor shunt actúa como sumidero de la potencia reactiva.

Para líneas de transmisión de tensión extra alta (EHV), debido a la larga distancia, el espacio entre la línea aérea y el suelo forma naturalmente un condensador paralelo a la línea de transmisión, lo que provoca un aumento de tensión a lo largo de la línea denominado “Efecto Ferranti”, ver artículo: “Técnicas para elcontrol del efecto Ferranti en líneas de Alta Tensión” 

Los reactores Shunt también se pueden construir con tomas de regulación ajustables. Esto ofrece la posibilidad de afinar la tensión del sistema y también la reducción de equipos de alta tensión mediante la sustitución de varios reactores no regulados por uno regulado.

Para saber más, ver artículo: “Técnicas para elcontrol del efecto Ferranti en líneas de Alta Tensión” 

Reactores en serie

Cuando las redes con el tiempo se amplían, la corriente de cortocircuito en las líneas de transmisión excederá la clasificación de corriente de cortocircuito de los equipos instalados. La actualización de la tensión del sistema, la actualización de la clasificación de los equipos o el empleo de transformadores de alta impedancia son mucho más costosos que instalar reactores en serie en las líneas.

Transformadores de  desplazamiento de fase

Figura 6: Transformador de desplazamiento de fase

La transferencia masiva de energía es en su mayor parte un asunto pasivo, donde la energía fluye hacia la carga por el camino de menor impedancia. Para influir en este flujo, se debe modificar el ángulo de fase del extremo de envío o de recepción - esto se puede hacer mediante el uso de transformadores de desplazamiento de fase. La carga de las líneas individuales está determinada por el desfase entre los nodos del sistema de transmisión. Un transformador desfasador ofrece una forma de controlar este decalaje y por consiguiente, el flujo de carga.

Los transformadores desfasadores se instalan en serie con la línea eléctrica y tienen una tensión de salida igual a la de entrada, pero con una diferencia de fase variable.

Como sólo hay una necesidad limitada de variar la diferencia de fase, se puede reducir la complejidad del transformador desfasador para producir únicamente una tensión en cuadratura; es por esto por lo que al aparato se le denomina transformador desfasador.

Físicamente un transformador desfasador está formado por dos transformadores: Una unidad magnetizante y una unidad en serie.

Transformadores HVDC

Figura 7: Transformador convertidor para sistema de transmisión bipolar UHVDC ± 800 kV CC, 6400 MW; 2.071 km: monofásico; 550 kV CA, 816 kV CC; 321 MVA

La transmisión con HVDC tiene grandes ventajas cuando se trata de transmisión de energía eléctrica a larga distancia. Este sistema se utilizó por primera vez en las largas transmisiones por cable de CC, para reducir la necesidad de atenuar la tensión excesiva acumulada a lo largo del cable, producido por la potencia reactiva.

Para saber más, ver artículo: “¿Por qué eltransporte de energía eléctrica a grandes distancias en C.C. es más eficienteque en C.A.?” 

En las transmisiones HDVC, el transformador eléctrico no sólo modifica las tensiones para que se pueda intercambiar la potencia entre los sistemas de CA y CC, también transforma la tensión de CA de un sistema trifásico a un sistema exafásico. Esto permite reducir los armónicos generados por las corrientes de las válvulas. Además, el transformador actúa de barrera para el potencial de CC, evitando que la tensión de CC entre en el sistema de CA.

Los armónicos producen pérdidas que deben tenerse en cuenta y minimizarse para evitar recalentamientos locales peligrosos en estos transformadores. El potencial de CC en los devanados de las válvulas origina un patrón de rigidez dieléctrica diferente al generado por las tensiones de CA normales.

Estos transformadores se construyen como una unidad monofásica con dos devanados laterales de válvula, uno para la conexión en triángulo y el otro para la conexión en estrella (ambos necesarios para alcanzar el desfase necesario). Los dos devanados laterales de válvula se montan en columnas separadas en un mismo núcleo y actúan eléctricamente como dos transformadores independientes.

Para saber más, ver artículo:

“El diseño delaislamiento en transformadores convertidores de UHVDC” 

Entre las ventajas medioambientales destacan las menores pérdidas en la transmisión y la reducción del uso de terreno para el trazado de las líneas.

Para saber más, ver artículo: “Ventajas einconvenientes de las tecnologías HVAC y HVDC” 

Transformadores especiales para aplicaciones industriales

 

Figura 8: Transformador para horno de arco eléctrico

Un segmento importante en la familia de transformadores está constituido por grandes transformadores para aplicaciones industriales, como los transformadores de horno y los transformadores rectificadores para electrolisis.

Estos transformadores se caracterizan por la tensión comparativamente baja del lado secundario con corrientes extremadamente altas. Las corrientes de carga de 60 kA o más no son inusuales.

Estas corrientes tan elevadas con un gran contenido en armónicos plantean desafíos importantes, especialmente en cuanto a los altos flujos de campo magnético alrededor de los conductores de salida y en torno a las partes de los conductores en contacto con el aire. En los transformadores para hornos, las altas corrientes vienen acompañadas por frecuentes cortocircuitos durante la fase inicial de calentamiento del acero en el crisol. Para resistir estas fuerzas electrodinámicas de cortocircuito y por la exigencia de amplios márgenes de regulación se necesita un cuidado especial en su diseño y fabricación.

Transformadores para hornos de arco eléctrico

Estos transformadores son necesarios para muchos procesos y aplicaciones de hornos diferentes. Están construidos para hornos de arco eléctrico (EAF), hornos cuchara (LF) y hornos de ferroaleaciones, y son similares a los transformadores de horno de arco sumergido o en cortocircuito (fig. 8).

Los transformadores EAF están diseñados sólidamente para resistir condiciones repetidas de cortocircuito y alto estrés térmico, y para estar protegidos contra sobretensiones operativas resultantes de los procesos de arco. Los reactores EAF se construyen de tipo trifásico con núcleo de hierro, con o sin circuitos de retorno magnético.

La carga es cíclica. Para la operación de hornos de acero de arco, normalmente se requiere reactancia en serie adicional para estabilizar el arco y optimizar la operación del proceso de aplicación del horno.

Transformadores para hornos de arco eléctrico de CC

Se requieren transformadores de horno de arco eléctrico de corriente continua (DC EAF) para muchos procesos y aplicaciones para hornos diferentes.

Están construidos para hornos de acero con rectificador de Tiristores. Los transformadores EAF de CC funcionan en condiciones muy severas, como los transformadores rectificadores en general, pero utilizan transformadores rectificadores para el funcionamiento del horno.

Transformadores para rectificación

Figura 9: Transformador rectificador para planta de aluminio

Los transformadores para rectificación se combinan con rectificadores de diodos o tiristores.

Las aplicaciones van desde grandes transformadores para la electrólisis del aluminio hasta transformadores de tamaño mediano para diferentes operaciones. Los transformadores pueden tener una unidad de regulación de tensión incorporada o separada.

Debido a la gran variedad de aplicaciones, pueden tener distintos diseños y combinaciones de regulación de tensión, transformadores para rectificación con configuraciones duplicadas, desfasadores, reactores de interfase, transductores con devanados de filtro.

Para saber más, ver artículo: “Transformadores dedoble secundario: Solución a las cargas no lineales de los grandes gruposrectificadores” 

Transformadores convertidores

Los transformadores convertidores se utilizan para aplicaciones de grandes accionamientos, compensación de tensión estática (SVC) y cambio de frecuencia estática (SFC).

Los transformadores convertidores se construyen en su mayoría con dos devanados secundarios, lo que permite operar con rectificadores de 12 pulsos. Dichos transformadores normalmente tienen un devanado adicional como filtro para eliminar armónicos. Son posibles diferentes grupos de conexión y cambios de fase.

Ver artículo: “Transformador + rectificador ¿Qué acoplamiento elegir?” 

Las aplicaciones industriales de grandes variadores se basan en transformadores, que ofrecen una adaptación de voltaje flexible para cumplir con el voltaje de entrada del variador. Los transformadores convertidores están hechos a medida para aplicaciones específicas en entornos hostiles. Suministran energía para aplicaciones multipulso de grandes accionamientos y accionamientos eléctricos de velocidad variable, como altos hornos, estaciones de bombeo o material rodante en aplicaciones mineras.

Alimentación de catenarias

Este tipo de transformadores realizan la conexión entre la red eléctrica y la fuente de alimentación para los trenes. El transformador opera en condiciones críticas específicas de cortocircuito y sobrecarga en frecuencias muy altas, se requiere una mayor confiabilidad en su construcción para garantizar que los trenes funcionen con seguridad.

Transformadores de distribución en baño de aceite MT/BT

 

Figura 10: Transformador de distribución MT/BT de llenado integral en baño de aceite

Ocupan el último eslabón de la cadena de transformación desde la central eléctrica al consumidor, los transformadores de distribución (DT) proporcionan la energía necesaria para la distribución en baja tensión. Por tanto, su funcionamiento debe ser fiable, eficaz y, al mismo tiempo, silencioso.

Los transformadores de distribución se utilizan para convertir energía eléctrica de media tensión, generalmente hasta 36 kV, a baja tensión, generalmente de 250 a 435 V, con una frecuencia idéntica antes y después de la transformación. Su aplicación está ubicada principalmente en áreas suburbanas, suministro público, industrias y hogares.

Los transformadores de distribución son resistentes, económicos y tienen una larga expectativa de vida.

Los transformadores sumergidos en líquido dieléctrico (figura 10) pueden ser monofásicos o trifásicos. Durante el funcionamiento, los devanados pueden estar expuestos a un alto esfuerzo eléctrico por sobrecargas externas y un alto esfuerzo mecánico por cortocircuitos. Están construidos en cobre o aluminio. Los devanados de baja tensión se fabrican con cable plano o banda, y los devanados de media tensión se fabrican con cable redondo o plano.

Destacan tres clases diferentes de transformadores MT/BT: estándar, especial y renovable.

Transformadores de distribución estándar:

·      Transformadores de distribución de baja potencia con núcleo arrollado o de núcleo apilado para montaje en poste (≤ 2.500 kVA, Um ≤ 36 kV).

·       Transformadores de distribución de media potencia con tecnología de núcleo bobinado o núcleo apilado (> 2500 ≤ 6300 kVA, Um ≤ 36 kV).

·         Gran transformador de distribución (> 6,3 – 30,0 MVA, Um ≤ 72,5 kV).

·         Reguladores de tensión.

Transformadores de distribución especiales:

·     Aplicación especial: DT autoprotegido, DT de regulación (OLTC), DT de regulación electrónica, DT de bajas emisiones u otros (autotransformador, transformador para convertidores, doble piso, transformador multidevanado, transformador de puesta a tierra).

·       Enfoque medioambiental: DT de núcleo amorfo con pérdidas significativamente bajas sin carga, DT con un diseño especial de baja pérdida de carga, DT de baja emisión con respecto al ruido y/o emisiones de campos electromagnéticos, DT con éster natural o sintético donde se requiere resistencia y/o biodegradabilidad.

Transformadores de distribución renovables:

·        Utilizado en estaciones de energía eólica, plantas de energía solar u olas del mar/plantas generadoras de energía ...

Para saber más, ver artículo: “Evaluación de la calidad de los Transformadores de Distribución yextensión a los Centros de Transformación” 

Transformadores de distribución secos encapsulados en resina epoxy MT/BT

Figura 11: Transformador seco encapsulado en resina epoxy MT/BT

Los transformadores de potencia y distribución secos encapsulados en resina epoxy con valores nominales de 100 a aproximadamente 50 000 kVA y valores de impulso tipo rayo (LI) de hasta 250 kV son sustitutos completos de los transformadores sumergidos en aceite con datos eléctricos y mecánicos comparables. Están diseñados para su instalación en interiores cerca de su punto de utilización en el centro de los principales consumidores de carga. El uso exclusivo de materiales aislantes ignífugos libera a estos transformadores de todas las restricciones que se aplican a los equipos eléctricos rellenos de aceite, como la necesidad de fosos colectores de aceite, paredes cortafuegos, equipos de extinción de incendios. Esta tecnología no sólo es de difícil combustión y auto extinguible, sino también resistente a la humedad, clima tropical y asegura un bajo nivel de ruido. Para su uso en exteriores, pueden disponer de envolventes metálicas especialmente diseñadas.

Los transformadores de resina con regulación de tensión conectados en el lado de la carga del sistema de alimentación de media tensión alimentan los transformadores de distribución de la planta. Los transformadores controlados por cambiadores de tomas en carga que se utilizan en estos sistemas de media tensión deben tener clasificaciones apropiadamente altas, son transformadores adecuados en su diseño (fig. 12), disponibles en valores nominales de hasta 50 MVA. El rango de tensión nominal se extiende a 36 kV, y la tensión de impulso máximo es de 200 kV (250 kV). Las principales aplicaciones de este tipo de transformadores se encuentran en modernas plantas industriales, hospitales, edificios de oficinas y apartamentos y centros comerciales.

Figura 12: Transformadores Siemens de resina epoxy de 16/22 MVA con cambiador de tomas en carga sin aceite

La unión de módulos de cambiador de tomas de 1 polo mediante ejes aislantes produce un cambiador de tomas bajo carga de 3 polos para regular la tensión de salida de los transformadores trifásicos. En sus nueve posiciones de funcionamiento, este tipo de conmutador tiene una corriente nominal de 500 A y una tensión nominal de 900 V por paso. Esto permite mantener fluctuaciones de tensión de hasta 7.200 V.

Para saber más, ver artículo: “¿Qué elegir: Transformadores en baño de aceite o secos?” 

 Reguladores de tensión

 Figura 13: Regulador monofásico de tensión

Los reguladores de tensión son autotransformadores con tomas que se utilizan para garantizar que se mantenga el nivel deseado de tensión en las líneas en todo momento. Un regulador de tensión consta de un autotransformador con tomas y un cambiador de tomas. El regulador de tensión estándar proporciona un ajuste de ± 10 % en treinta y dos pasos de 0,625 %. También existen algunos diseños de reguladores de tensión con regulación de ± 15 % y ± 20 %.

Los reguladores de tensión están sumergidos en aceite y pueden ser monofásicos o trifásicos. Pueden ser autoenfriados o enfriados por aire forzado. Disponibles en 50 o 60 Hz y con aumento de temperatura de 55 o 65 °C, pueden utilizarse en cualquier sistema eléctrico para mejorar la calidad de la tensión.

Los valores nominales del regulador se basan en el porcentaje de regulación ( normalmente ± 10 %). Por ejemplo, un conjunto de tres reguladores monofásicos de 333 kVA se usaría con un transformador de 10 MVA (p. ej., 10 MVA × 0,10/3 = 333 kVA). Los reguladores de tensión monofásicos se utilizan desde 2,5 kV a 19,9 kV y desde 38,1 kVA a 889 kVA (fig. 13). Los reguladores de tensión trifásicos se utilizan desde 13,2 kV a 34,5 kV y desde 500 kVA hasta 4.000 kVA.

 

 Transformadores de tracción

 

 Figura 14: Transformador de tracción para trenes de alta velocidad

Son transformadores para aplicaciones ferroviarias llamados transformadores de tracción. Estos transformadores se instalan en trenes de alta velocidad, unidades múltiples eléctricas (EMU) y locomotoras eléctricas. Su objetivo principal es transformar la tensión de la catenaria, que oscila principalmente entre 15 kV y 25 kV, en tensiones adecuadas para convertidores de tracción (entre 0,7 kV y 1,5 kV) (fig. 14).

Técnicamente, los transformadores de tracción se caracterizan en general de la siguiente manera:

·         Transformadores monofásicos

·         Potencias nominales de hasta 10 MVA y superiores

·         Frecuencias de funcionamiento de 16⅔ a 60 Hz

·         Tensiones: 1,5 kV CC, 3 kV CC, 15 kV, 25 kV, 11,5 kV u otras soluciones específicas

·         Peso: < 15 t

·         Operación de sistema único o múltiple

·         Montaje bajo suelo, cuarto de máquinas o cubierta

·         Devanados de tracción para ser utilizados como filtros de línea

·         Reactancias con circuito integrado de absorción

·         Refrigeración en aceite mineral, silicona o éster vegetal.