Redes
eléctricas y corriente continua
Tradicionalmente
ciertos circuitos eléctricos, tales como las redes de transporte alimentadas en
corriente continua han sido una fuente de campos continuos en los
transformadores.
Sin
embargo con la utilización creciente de los equipos electrónicos de potencia en
las redes de transmisión de potencia y en la industria, el número de fuentes posibles
de magnetización con componente continua está en constante aumento. El artículo
(‘’Harmonics from SVC Transformer Saturation with Direct Current Offset‘’)
describe estos fenómenos.
A
causa del desarrollo de los materiales magnéticos y de la realización industrial
de los circuitos magnéticos, la inductancia magnetizante no saturada es muy
grande y la resistencia en DC es muy escasa en los transformadores de potencia
de reciente concepción.
Las corrientes de vacío de estos
transformadores son generalmente muy bajas, el impacto de una componente de
corriente continua es todavía más marcado.
En
ciertas configuraciones de la red eléctrica del usuario, la fuerte disminución de
la impedancia magnetizante del transformador puede crear resonancias eléctricas
con otros elementos capacitivos de la red (cables, condensadores…). Estas últimas
pueden llegar a provocar averías en el transformador.
Fenómenos
creados por la presencia de una corriente continua
Las principales consecuencias
por la presencia de una componente continua inyectada en el arrollamiento de un
transformador son:
1- saturación del circuito magnético,
2- muy fuerte diminución de
la impedancia magnetizante del transformador,
3- resonancia eléctrica
interna de los arrollamientos del transformador,
4- aumento del nivel de
ruido,
5- aumento de la corriente de vacío I0 y de las pérdidas en vacío P0.
1 - Saturación del circuito magnético.
Si
un transformador es alimentado por la tensión alterna de la red, y al mismo
tiempo está sometido a una inyección de corriente continua DC en un
arrollamiento, existen entonces dos circulaciones de diferentes flujos magnéticos
en el circuito magnético del transformador: una superposición del flujo alterno
y del continuo ocupan su espacio.
Por
este hecho, el ciclo de histéresis β = β (H) del material magnético se desplaza
y aumenta con la componente continua.
Esta
componente continua es un parámetro muy sensible: un pequeño valor de esta al
circular en los arrollamientos puede conducir a una saturación total del circuito
magnético del transformador con generación de armónicos (deformación de las
señales).
El
orden de magnitud de la componente de corriente continua necesaria para saturar
el transformador es igual al de la corriente de vacío del transformador, es un
pequeño % de la corriente nominal.
2 - Fuerte disminución de la
impedancia magnetizante del transformador.
Cuando
el circuito magnético del transformador se satura, la permeabilidad relativa μr
= μr (â) del material que la constituye decrece muy fuertemente (desde un
factor 1000 a 10000) con el aumento del nivel de saturación del circuito.
La
consecuencia de esta saturación es que la impedancia magnetizante del transformador
(y la permeabilidad relativa del material magnético) decrece igualmente muy
fuertemente.
En
el esquema equivalente del transformador de la figura 1, la inductancia de magnetización
Lμ decrece muy fuertemente en el momento de la saturación del circuito
magnético:
L
: Inductancia de fuga del
transformador
r : Pérdidas en carga del transformador, modelizado por una
resistencia
Lμ : Inductancia magnetizante del transformador
rf : Pérdidas en vacío del transformador, modelizado por una
resistencia
m : Relación de transformación
Figura 1: Esquema equivalente del transformador, por fase, visto lado
MT/primario
3 - Resonancia interna en los arrollamientos del transformador.
Debido
al descenso rápido de la impedancia magnetizante del transformador, este es susceptible
de entrar en resonancia con los elementos de tipo capacitivo de la red
eléctrica, tales como cables de MT y BT, condensadores, baterías de
compensación...
Esta
resonancia entre transformador y los elementos de tipo capacitivo de la red
eléctrica es posible si, en una cierta configuración de la red, las frecuencias
armónicas presentes se corresponden al menos a una de las frecuencias propias
de resonancia del transformador.
En
este caso, las sobretensiones/sobreintensidades están generalmente localizadas
en el interior de un arrollamiento del transformador.
Finalmente
estas resonancias internas degeneran en incidentes dieléctricos que conducen a
la avería del transformador.
4 - Aumento del nivel de ruido
La
saturación completa del circuito magnético se obtiene en la práctica por componentes
continuas de valor igual a 3 veces la corriente en vacío del transformador.
La
corriente en vacío I0 es aproximadamente el 1% de la corriente
nominal del transformador, por lo que una componente continua de
aproximadamente el 3% de la corriente nominal saturara completamente el
circuito magnético. Una débil componente de corriente continua (orden de
magnitud de 5 a 100 A según el tamaño del circuito magnético del transformador)
llega a saturar completamente este circuito.
Esta
saturación crea un aumento muy significativo del nivel de ruido del material en
servicio.
La
norma ‘’IEC 60076-10-1 / Guía del Usuario /Determinación de los Niveles Acústicos
del transformador ‘’ dan una curva del nivel de ruido del transformador,
expresado en dB(A) en función del múltiplo de la corriente de vacío I0.
Esta
curva, aplicada a los transformadores de gran potencia, es la siguiente:
Figura 2: Aumento del nivel sonoro con corriente DC
en los arrollamientos del transformador
5 – Aumento de la corriente de vacío
(I0) y de las pérdidas en vacío (P0).
La
presencia de una componente de corriente continua satura el material (chapas
Hierro -Silicio ) del circuito magnético.
El
nivel de inducción magnética en este circuito aumenta significativamente y tiende
hacia la inducción de saturación de su material.
Las
características magnéticas del material magnético se degradan y en consecuencia,
los niveles de corriente en vacío I0 y de pérdidas en vacío P0
aumentan significativamente.
Soluciones correctoras: aplicables
caso por caso
En
función de los niveles de corrientes continuas localizadas en la instalación, deberán
ser aplicadas acciones correctoras dependiendo de la concepción del transformador.
Por
ejemplo, para un transformador de 2500 kVA, 22 kV, 433 V, de una determinada
instalación, las soluciones correctoras potenciales están ilustradas en el
siguiente diagrama:
Conclusión
La
inyección de corriente continua en los arrollamientos de un transformador tiene
sensiblemente el mismo efecto, en general, que una puesta bajo tensión de esta
última, conduciendo a una fuerte corriente de conexión asimétrica.
Durante
el régimen transitorio de puesta en tensión de un transformador, la corriente
de conexión presenta también una componente de corriente continua debido a su
forma asimétrica y es muy conocido que pueden sobrevenir problemas eléctricos
en la fase alimentada, en este instante.
Es
imperativo conocer el nivel de corriente continua con el fin de dimensionar el transformador
en consecuencia.
La
norma IEC 60076-11 da recomendaciones para adaptar la fabricación del material
en estos casos.
ANEXO
Inyección de una componente
de corriente continua en el arrollamiento de baja tensión
(Ensayo realizado en un transformador encapsulado Trihal)
Esquema del montaje para ensayo
Este
ensayo ha sido realizado en fábrica.
En
el esquema de conexiones de la figura 3, el aparato en ensayo esta alimentado por
un transformador intermedio lado MT bajo tensión trifásica.
Por
otro lado, una corriente continua se inyecta, por medio de un Variac + Puente
rectificador, entre las fases a y c en los arrollamientos BT del transformador
en ensayo.
Dos
selfs de filtrado desacoplan los circuitos de corriente alterna y de corriente continua.
Figura 3: Esquema de conexiones del ensayo
Resultados del ensayo
La
tabla y la curva de la figura 4 indican el nivel de presión acústica medida a 1
metro del transformador en ensayo, en función de la corriente I dc inyectada en
los arrollamientos de baja tensión.
Figura 4: Impacto de la corriente continua sobre el nivel de presión
acústica
Conclusiones del ensayo
Para
este montaje de ensayo, se observa un aumento del nivel sonoro del transformador
de más de 7 dB(A) para una inyección de corriente continua de 12 A lado BT del
transformador.
A
título de comparación, la corriente nominal AC lado BT del transformador es de
887 A y la corriente de vacío medida ( sin inyección de Idc) es de 8.4 A para una
tensión nominal de alimentación.
Además
el nivel de corriente en vacío a sido multiplicada por un factor de aproximadamente
2 entre las configuraciones sin y con inyección de corriente continua de 12 A,
lado BT del Transformador.
Después
de inyectar una pequeña corriente continua Idc (igual a aproximadamente 1,5
veces la corriente de vacío) , el circuito magnético del transformador se ha
saturado aumentando significativamente su nivel de ruido de 7 dB(A) y el nivel
de la corriente de vacío que ha doblado su valor.
FUENTE:
Schneider
Electric: Impacto de la corriente continua sobre los transformadores
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