Los transformadores
convencionales de interconexión -elevadores o reductores- conectan las redes de
c.a. o los sistemas de diferentes voltajes para permitir el intercambio de
potencia. Deben estar diseñados, por tanto, para soportar los requerimientos
específicos de cada sistema.
Estos transformadores
proporcionan aislamiento galvánico entre las redes y pueden ser trifásicos o
bien bancos monofásicos, dependiendo de las prioridades del usuario final y de
las limitaciones de transporte. A menudo se diseñan también para ofrecer un
amplio rango de regulación de tensiones al incorporar cambiadores de tomas bajo
carga o sin carga.
La potencia nominal de estos
transformadores puede ser bastante alta, por ejemplo 1.000 MVA, y a veces se
fabrican con devanados autoconectados (autotransformadores) que constituyen una
solución que facilita el transporte de la fábrica al lugar de instalación por
su menor peso y dimensiones físicas. Además, el coste de fabricación es
inferior al de un transformador con devanados separados. Esta solución es
posible siempre que la relación de transformación esté entre 1 y 2. Sin
embargo, dado que sus devanados no están separados, en este caso no existe
aislamiento galvánico entre los sistemas interconectados.
La relación de vueltas de estos
transformadores a veces es fija, mientras que en otros casos se pueden prever
tomas de regulación. Es posible que las diferentes tomas no influyan
notablemente en la tensión a ambos lados del transformador. Sin embargo, las
tomas permiten influir en el intercambio de potencia reactiva entre los
sistemas.
El aislamiento de los devanados
suele ser gradual. En los transformadores de devanados separados, las tomas se
colocan en el extremo neutro de uno de los devanados. En los autotransformadores,
las tomas suelen estar situadas en las fases del lado de baja tensión. Véase la
figura 1.
Figura 1
Las tomas se sitúan a veces en el
punto neutro de los autotransformadores, donde el nivel de tensión a tierra y
las diferencias de tensión entre fases son menores. De este modo, se puede
utilizar un cambiador de tomas más sencillo y barato.
Por otro lado, las tomas en el
neutro necesitarán un mayor número de espiras en el rango de toma para
conseguir la misma variación en la relación de espiras que cuando las tomas
están situadas de forma directa o en el terminal de alta tensión.
Los dos devanados principales de
un autotransformador se denominan devanado común y devanado en serie. El
devanado común está conectado al neutro y, como su nombre indica, las espiras
de este devanado son comunes para ambos lados del transformador. El devanado en
serie está conectado por un extremo al devanado común y por el otro al terminal
de alta tensión. La corriente de alta tensión circula por el devanado serie. La
corriente que circula por el devanado común es la diferencia entre la corriente
de baja tensión y la de alta tensión. La corriente en el devanado común fluye
en dirección opuesta a la corriente en el devanado en serie. El devanado común
y el devanado en serie están dispuestos como bobinas cilíndricas concéntricas,
y los amperios-vuelta en los dos devanados son iguales en valor y opuestos en
dirección.
La ventaja de un
autotransformador frente a un transformador con devanados separados es que el
autotransformador requiere menos material y, en consecuencia, tiene menores
dimensiones totales, menor masa, menores costes de fabricación y menores
pérdidas.
La potencia nominal equivalente
de dos devanados separados de un autotransformador indica la magnitud del
ahorro y viene dada por la siguiente ecuación:
Los términos de esta ecuación son
los siguientes:
Se es la potencia
nominal equivalente de dos devanados separados del transformador
Sr es la potencia
nominal del transformador
UrHv es la alta
tensión nominal del transformador
UrLv es la baja
tensión nominal del transformador
Esta ecuación establece que la
potencia nominal equivalente de dos devanados separados es proporcional a la
diferencia entre la alta tensión nominal y la baja tensión nominal del
transformador. La masa del transformador, las dimensiones totales, el coste de
fabricación y las pérdidas no son directamente proporcionales a la potencia
nominal equivalente de dos devanados independientes, pero todas estas
propiedades muestran una tendencia decreciente con la disminución de la
potencia nominal equivalente de dos devanados independientes.
Cuanto menor sea la diferencia
entre la alta tensión y la baja tensión, menor será Se y
mayor será el ahorro del autotransformador en lugar de un transformador con
devanados separados.
Asimismo, la impedancia de
cortocircuito del transformador muestra una tendencia decreciente a medida que
disminuye la diferencia entre la alta tensión y la baja tensión. Cuando esta
diferencia de tensión es muy pequeña, la impedancia de cortocircuito del transformador
también es pequeña, lo que hace que la caída de tensión en el transformador sea
baja. Esto es una ventaja.
Por otro lado, la baja impedancia
de cortocircuito del transformador puede hacer que la corriente de
cortocircuito del sistema sea tan alta que las fuerzas electrodinámicas en el
transformador superen su capacidad de resistencia. Una solución a este problema
podría ser instalar reactores limitadores de corriente en serie con el
autotransformador.
Otro inconveniente de los
autotransformadores es que, debido a la conexión metálica entre los circuitos a
ambos lados, una perturbación en uno de los circuitos afecta también al otro.
Si, por ejemplo, se produce un fallo a tierra monofásico en uno de los
circuitos, la subida de tensión a tierra en las fases sanas se producirá en
ambos circuitos. Si el defecto a tierra se produce en el circuito que tiene la
tensión más alta, el aumento de tensión a tierra en las fases sanas del
circuito de baja tensión puede llegar a ser muy alto, dependiendo de la
diferencia de tensión de los dos circuitos. La puesta a tierra directa del
neutro mitigará este fenómeno.
Una de las aplicaciones más
comunes de la autoconexión es en grandes transformadores de interconexión de
sistemas de alta tensión en los que el neutro del sistema se conecta
directamente a tierra. Estos transformadores suelen ser unidades muy grandes
con núcleos de 5 columnas o acorazados. Normalmente se incluye un devanado
terciario con conexión en triángulo para proporcionar una baja impedancia de secuencia
homopolar y corrientes magnetizantes para evitar los armónicos triples en el
flujo magnético y en las tensiones inducidas. Si el devanado terciario no está
destinado a conectarse a ninguna red eléctrica, una extremidad del devanado
debe conectarse sólidamente a tierra para fijar el potencial del devanado.
Es importante que estos
autotransformadores estén protegidos contra sobretensiones transitorias en
ambos lados mediante descargadores de sobretensión entre las fases y tierra.
En determinadas zonas geográficas
pueden existir tensiones de sistema de varios niveles, a menudo por razones
históricas, y suele ser necesario conectar estos sistemas entre sí mediante
transformadores.
Debido a la gran dependencia de
la energía eléctrica en la sociedad moderna, se necesitan transformadores de
repuesto para estos puntos de conexión del sistema.
Para evitar un gran número de
transformadores de repuesto, cada uno con una relación de tensión específica
adecuada para su uso en un punto de conexión concreto del sistema eléctrico, se
puede fabricar un transformador de repuesto con relaciones de tensión
diferentes. De este modo, dicho transformador podrá utilizarse en diferentes
puntos del sistema.
Figura 2
En la Figura 2 se muestra un
ejemplo de esquema de conexión para un autotransformador de este tipo. El autotransformador
está conectado en YN con un cambiador de tomas bajo carga en el neutro. El
terminal de baja tensión puede conectarse a una de varias tomas en vacío. De
este modo se consiguen las siguientes relaciones de tensión: 400kV a 230kV,
400kV a 132kV, 400kV a 110kV, 230kV a 132kV y 230kV a 107kV. Mediante el
cambiador de tomas en carga, la relación de transformación puede ajustarse
algunos porcentajes al alza o a la baja, variando un poco en función de las
tensiones concretas del sistema para las que se utilice el autotransformador.
La potencia nominal máxima es de 450 MVA a una relación de tensión de 400/230
kV.
En otras relaciones de tensión,
la potencia nominal oscila entre 325 y 200 MVA, dependiendo de la relación de
tensión utilizada. El transformador tiene también un devanado terciario
conectado en triángulo que limita la impedancia homopolar del transformador a
un valor razonablemente bajo. La tensión y la potencia nominal del devanado
terciario dependen de la tensión aplicada en el terminal de alta tensión, 400 o
230 kV.
Figura 3.- Autotransformador
trifásico de interconexión de sistemas de 450 MVA
No hay comentarios:
Publicar un comentario