Como la transmisión de calor por convección
depende de la densidad del aire, todos los transformadores con refrigeración
natural vienen afectados en mayor o menor grado por la altitud, según la relación
de las pérdidas disipadas por convección y por radiación. Por ejemplo, es
evidente que el efecto mínimo de la altitud sobre el calentamiento se
observaría en transformadores con tanques lisos, en los cuales, aproximadamente
el 55 % de las pérdidas son disipadas por radiación, a la cual no le afecta la
altitud, mientras que el efecto máximo se observará en transformadores con un
gran número de radiadores, en los cuales la disipación del calor por radiación
es muy pequeña.
Basándose en lo dicho anteriormente, está claro
que no es posible establecer una regla sencilla para expresar el efecto de la
altitud sobre el aumento de temperatura de los transformadores con
refrigeración natural.
Dónde:
Wc = Watts por cm2
F = coeficiente de rozamiento del aire (igual a
la unidad para una superficie plana),
p = presión barométrica relativa (densidad
relativa del aire),
Por tanto, para una pérdida constante por convección,
la elevación de temperatura varía inversamente a la presión del aire elevada a
la potencia 0.4.
Si parte de las pérdidas se disipan por
radiación, el efecto de la presión del aire debe reducirse en la misma
proporción que la relación de las pérdidas por convección a las pérdidas
totales.
La ecuación (1) puede escribirse así:
Donde RL es la relación de las
pérdidas por convección y las pérdidas totales (convección más radiación).
Cuando el aumento de temperatura se evalúa en
tanto por ciento de elevación de temperatura de los devanados sobre el
ambiente, de los transformadores sumergidos en aceite (como generalmente se
hace), la ecuación (2) debe, naturalmente, modificarse en proporción inversa a
la relación del aumento de temperatura de los devanados sobre el ambiente con
respecto a la elevación máxima de temperatura del aceite sobre el ambiente:
Donde Rt es la relación de la elevación de
temperatura de los devanados y la elevación máxima de temperatura del aceite.
La figura 1 indica el efecto de la altitud sobre
la elevación de temperatura de transformadores con refrigeración natural para
distintos valores de RL (relación de las pérdidas por convección a
las pérdidas totales).
Para transformadores refrigerados por aire
(circulación natural de aire) se puede admitir que RL y Rt
son iguales a 1.0.
Cuando se aplica a los transformadores una
refrigeración forzada de aire sobre las superficies de sus cubas o radiadores,
se puede admitir, con cierta aproximación, que el calor cedido por convección
para una determinada elevación de temperatura del aceite se duplica por la refrigeración forzada, mientras que la radiación,
naturalmente, permanece la misma que en la refrigeración natural.
La elevación de temperatura en los
transformadores refrigerados por agua no varía con la altitud, a menos que una
parte apreciable de las pérdidas se disipe por la superficie del tanque.
Figura 1: Efecto de la altitud sobre
el aumento de temperatura
en la capa superior de aceite dentro
de la cuba
Las normas ANSI para Transformadores están basadas
principalmente en la ecuación (3), admitiendo: 1º, que aproximadamente el 80 %
de las pérdidas totales son disipadas por convección, y 2.°, que la elevación
de temperatura del aceite es de 40 ºC, y la de los devanados 55 °C al nivel del
mar.
La disminución de la densidad del aire con
grandes altitudes tiene como consecuencia un aumento de temperatura en los
transformadores, cuya disipación de calor depende del aire.
Las normas IEEE/ANSI C57 se aplican para la
construcción y prueba de Transformadores:
a) Los Transformadores dimensionados de acuerdo
con las presentes normas, se pueden ensayar en altitudes no superiores a 1000 m
sin ninguna corrección de la elevación de temperatura observada.
b) Los transformadores refrigerados por aire y
construidos para no exceder las elevaciones máximas de temperatura previstas en
estas normas en altitudes superiores a 1.000 m, deben tener elevaciones de
temperatura menores que las indicadas en estas normas, al ser probados a bajas
altitudes. La disminución de elevación de temperatura debe ser por cada 100 m
de exceso de altitud sobre 1.000 m.
Para transformadores sumergidos en aceite y con circulación
natural del aire, 4/10 de 1%.
Para transformadores secos refrigerados por
circulación natural del aire, 6/10 de 1%.
Para transformadores sumergidos en aceite y
circulación forzada del aire, 5/10 de 1%.
Para transformadores refrigerados con ventilación
forzada de aire, 1 %.
Por su parte la norma IEC 60076-2 e IEC 60076-11,
para transformadores en baño de aceite y secos respectivamente, indica lo
siguientes límites de calentamiento:
Los límites de calentamiento dados en la tabla 1
deben reducirse en las cantidades siguientes:
Para transformadores con refrigeración natural
(..AN) el límite de calentamiento medio de los arrollamientos deberá reducirse
en 1 K para cada intervalo de 400 m en los que la altitud de la instalación
supere los 1000 m (s.n.m.).
Para transformadores con refrigeración forzada
(..AF) la reducción debe ser de 1 K por cada 250 m (s.n.m.).
Tabla1: Límites del calentamiento
medio de los arrollamientos de
transformadores en baño de aceite
para alturas hasta 1000 m
Para los transformadores secos encapsulados en
resina, la norma IEC 60076-11 tiene en cuenta dos factores para su desclasificación
por altura.
Los límites de calentamiento dados en la tabla 2
deben reducirse en las cantidades siguientes:
Reducción del calentamiento del 2,5% por cada
escalón de 500 m por encima de los 1000 m (para transformadores con
refrigeración natural). Reducción del calentamiento del 5% por cada escalón de
500 m por encima de los 1000 m (para transformadores con refrigeración
forzada).
Tabla 2: Límites del calentamiento
medio de los arrollamientos de
transformadores secos para alturas
hasta 1000 m
Tanto para transformadores en baño de aceite como
secos, cualquier corrección de altitud debe redondearse al número entero de K
más próximo.
FUENTES:
Manual “Standard” del Ingeniero Electricista
(A.E. Knowlton)
Normas IEC 60076-1, IEC 60076-2, IEC 60076-11
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