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sábado, 3 de junio de 2023

Transformadores elevadores para generador (Step-Up)

 

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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