La figura muestra un
ejemplo de un gran transformador elevador de generador trifásico. La potencia
nominal es de 1100 MVA y la relación de tensión 345/19 kV. En este caso, el
transformador se fabrica con núcleo acorazado.
El transformador de generador es
un elemento esencial para toda planta de generación nuclear, térmica o
hidráulica. Los transformadores de generador son transformadores elevadores con
sus devanados en la parte de más baja tensión (BT) conectados en triángulo y
energizados a la tensión del generador, mientras que los devanados de la parte de
mayor tensión (AT), van conectados en estrella y alimentan las líneas de
transmisión que pueden llegar a superar los 800 kV. Es decir, son
transformadores con grupo de conexión ir conectados en Ynd. Hay varias razones
para conectar el devanado de BT en triángulo en lugar de en estrella:
• el devanado conectado en
triángulo mantiene la impedancia de secuencia cero del transformador
razonablemente baja;
• para grandes transformadores,
la corriente de línea en el lado de BT es muy elevada. En un devanado conectado
en triángulo, la corriente a través del devanado es igual a la corriente de
línea dividida por √3, lo que facilita el trabajo del devanado en la fábrica
con un paquete de conductores de devanado correspondientemente más pequeño.
En la mayoría de los casos, el
neutro de alta tensión está sólidamente conectado a tierra y el aislamiento en
el devanado de AT es gradual, es decir, el nivel de aislamiento en el neutro es
menor que en el extremo de fase del devanado. La plena utilización de la
capacidad del generador para suministrar potencia activa al sistema y, además,
su capacidad para suministrar potencia reactiva al sistema y absorber potencia
reactiva del sistema, requiere que se seleccionen cuatro características del
transformador sobre la base de un exhaustivo estudio.
Estas cuatro características son:
• La impedancia de cortocircuito
del transformador;
• La clasificación de voltaje
secundario (más alta tensión);
• La clasificación de MVA del
transformador;
• La clasificación de voltaje
primario (más baja tensión).
La guía IEEE C57.116 1989, para
transformadores conectados directamente a generadores describe un método de
análisis para la selección de estas características. Para garantizar que el
transformador no restrinja el intercambio de potencia reactiva entre el
generador y el sistema de potencia, puede ser necesario proporcionar tomas en
el devanado de alta tensión del transformador. Estas tomas normalmente se
colocan en el extremo neutro del devanado.
Este tipo de transformadores se
enfrentan constantemente a cambios de tensión, bien sea debido a desconexiones
de carga o a operaciones de maniobra, seguidos de una sobreexcitación del
generador. También deben conservar la capacidad de resistir las sobrecargas, lo
que significa que los gradientes de los devanados se han de ajustar con
precisión y mantener una suficiente capacidad de enfriamiento. Las altas
corrientes nominales requieren un absoluto control del campo magnético dentro
de la cuba para evitar el sobrecalentamiento localizado en las partes metálicas
relacionadas.
Parte activa de un transformador para generador de gran potencia
En las centrales hidroeléctricas
subterráneas, el disyuntor del lado de alta tensión suele estar situado a una
distancia de varios cientos de metros del transformador. El transformador y el
disyuntor están conectados entre sí por medio de un cable. Cuando se energiza
el transformador desde el lado de alta tensión, surgen oscilaciones de alta
frecuencia en los terminales debido a las ondas viajeras que se reflejan de un
lado a otro en el cable. Cada devanado del transformador tiene una serie de
frecuencias de resonancia, que se pueden identificar mediante mediciones en
fábrica. En algunas de estas frecuencias pueden surgir sobretensiones internas
elevadas si la frecuencia de las oscilaciones que se producen durante la
energización coinciden con una de las frecuencias críticas de resonancia del
devanado del transformador. Esta situación potencialmente peligrosa puede
evitarse energizando el transformador desde el lado del generador y luego
sincronizando el generador con el sistema por medio del disyuntor en el lado de
AT.
Puede haber una conexión fija
entre el transformador y el generador, o puede haber un disyuntor intermedio.
Cuando existe una conexión
eléctrica fija, el generador y el transformador son inseparables y actúan como
una sola unidad. En caso de fallo en cualquiera de los lados del transformador,
los relés pueden activar rápidamente el disyuntor en el lado de AT del
transformador para desconectar la unidad del sistema. Este rechazo de carga
repentino puede causar un voltaje más alto en las terminales del generador y,
en consecuencia, una sobreexcitación del transformador. La magnitud y duración
de esta sobreexcitación depende de las características del generador y su
sistema de excitación. El comprador debe informar al proveedor del transformador
sobre la magnitud máxima y la duración de esta sobretensión temporal lo antes
posible en el proceso del proyecto y, en cualquier caso, a su debido tiempo
antes de que se determine finalmente el diseño del transformador.
La protección contra sobretensión
del devanado de BT de los transformadores elevadores del generador necesita una
consideración especial debido a la gran diferencia de tensión y, en
consecuencia, el nivel de aislamiento en los dos lados y la magnitud de las
sobretensiones transitorias y temporales transferidas desde el lado de AT al
lado de BT.
Se recomienda instalar pararrayos
entre cada terminal de baja tensión y tierra y también entre terminales de
distintas fases y, además, condensadores entre terminales de fase y tierra. La
capacitancia típica que se ha utilizado es de 0,25 μF.
Las sobretensiones transferidas
pueden ser especialmente críticas cuando el devanado de BT está desconectado
del generador.
En varios casos, los conductos de
barras encierran cada conductor de fase entre el transformador y el generador
para minimizar el riesgo de cortocircuitos entre los conductores de fase. Para
los transformadores elevadores de generadores grandes, la corriente en estos
conductores es muy alta con fuertes campos magnéticos que los acompañan, lo que
puede causar corrientes de circulación imprevistas en los tanques y cubiertas
del transformador, asi como en los conductos de barras. Las pérdidas causadas
por estas corrientes imprevistas dan como resultado sobrecalentamientos si no
se incluyen medidas correctivas en el diseño. El sobrecalentamiento de los
componentes del transformador depende del método de terminación de los
conductos de barras en el extremo del transformador. Para mitigar el problema del
calentamiento, se sugiere que se organicen reuniones de coordinación de diseño
entre el proveedor de los conductos de barras, el fabricante del transformador
y el comprador antes del diseño de dichos conductos.
Los transformadores de generador exigen conocimientos,
equipos de producción y capacidades de ensayo muy específicos, ya que suelen
requerirse tensiones y potencias nominales muy altas.
FUENTES:
ABB: Transformer Handbook
Alstom: Transformadores de
potencia y reactancias
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