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U. N. C.

F. C. E. F. y N.

MÁQUINAS ELÉCTRICAS II

TRABAJO PRÁCTICO CALENTAMIENTO EN TRANSFORMADORES

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Práctico Calentamiento

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Práctico Calentamiento

INDICE DE TEMAS Calentamiento……………………………………………………………………………………3 Influencia de la temperatura sobre aislante. Clases de aislamientos………..……………3 Transmisión del calor……………………………………………………………………………8 Curvas de calentamiento y enfriamiento………………………………………………..…...11 Ley de Ohm térmica. Constante de tiempo……………………………...………………….14 Distintas formas de refrigeración en transformadores……………………………………..16 Clases de servicio normalizados………………………………………………….………….19 Determinación de la temperatura en distintas partes del transformador………………...20 Ensayos normalizados de calentamiento. Método de oposición…………………………21

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INTRODUCCION. CALENTAMIENTO. Durante el funcionamiento de la máquina se produce un consumo de potencia a causa de las pérdidas en el hierro y en el cobre, lo que genera un aumento de temperatura en el interior del núcleo, de los devanados y en el medio refrigerante, sobre la temperatura ambiente. Así, ese calor generado por las pérdidas se transmitirá al medio ambiente a través del refrigerante hasta alcanzar el equilibrio térmico en donde la cantidad de calor generado es igual a la cantidad de calor evacuado al medio ambiente. En ese momento, la temperatura que se alcanza se denomina temperatura de régimen o de servicio que se mantiene en ese valor mientras no cambien las condiciones de ventilación ni el régimen de funcionamiento. Según la Ley de Joule, la cantidad de calor por unidad de tiempo q generada por la potencia total perdida en una máquina eléctrica p  pCu  p Fe  p mec resulta: q  0,239  10 3  p

(ec. 1)

siendo:

 q    kC / seg   p   W  En una máquina existen diversos órganos construidos en diferentes materiales, lo que indicaría realizar un estudio termodinámico particular. No obstante, es preferible tratar a la máquina como si fuese un cuerpo homogéneo para su estudio, construido en un solo material de características hipotéticas resultantes de un promedio de las características de todos los componentes. En base a esa hipótesis se hace el estudio generalizado. Si a la temperatura en la parte del cuerpo homogéneo en la que se genera la cantidad de calor q la designamos  , a la de la superficie externa  s , y a la temperatura del aire o del medio en el que está sumergido dicho cuerpo  a , se puede establecer lo siguiente:

   a     s    s   a 

(ec. 2)

A esta diferencia, la de temperatura entre el cuerpo homogéneo y el exterior se la denomina sobreelevación absoluta de temperatura     a (ec. 2a). En el segundo miembro de la (ec. 2) el primer término indica la diferencia de temperaturas entre el interior del cuerpo y su superficie exterior, siendo esto dependiente de la conductividad térmica de los materiales que encuentra el flujo calórico hacia el exterior. El segundo término representa la diferencia de temperaturas entre la superficie emisora y el medio ambiente, que es función del coeficiente de emisión entre el cuerpo y el medio. Este coeficiente de emisión es función de la velocidad que tenga el fluido refrigerante. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE AISLANTES. CLASES DE AISLAMIENTOS. Los materiales aislantes utilizados en la construcción de la máquina sufren los efectos de la temperatura a lo largo del tiempo, los que se manifiestan en la disminución de las propiedades aislantes y dieléctricas. La temperatura de régimen de una máquina está íntimamente asociada con su esperanza de vida, debido a que el deterioro del aislamiento con que está construida la máquina 3 / 26

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es una función tanto del tiempo como de la temperatura. Ese deterioro es un fenómeno químico que comprende una lenta oxidación y un endurecimiento que vuelve quebradizo al material y que conducen a la pérdida de la durabilidad mecánica y de la resistencia eléctrica. En líneas generales, el aislante debe cumplir con dos condiciones:  Su naturaleza y espesor deben ser tales que soporten las tensiones eléctricas dentro de un margen de seguridad.  Soportar la máxima temperatura de servicio sin disminuir sus cualidades dieléctricas. Empíricamente se demuestra que la vida de un aislante es función de la temperatura de trabajo. Cuanto mayor es la temperatura  max , más tendencia tiene el aislante a secarse, endurecerse y volverse quebradizo, lo que ocasiona la pérdida de las cualidades dieléctricas. A la temperatura máxima que pueden soportar los aislantes sin dañarse se la llama temperatura límite  L . Se debe cumplir y verificar a través de ensayo de calentamiento, que:  L   max  max   a

(ec. 3)

Los aislantes sólidos más utilizados en transformadores están formados por estructuras laminadas de papel, prespan, telas barnizadas y varias clases de papel. Los aislantes líquidos tales como el aceite mineral y líquidos sintéticos son muy utilizados como aislantes y refrigerantes al mismo tiempo. La importancia de estos es que condicionan las características de otros aislantes utilizados y su rigidez dieléctrica es clave en el diseño. El aceite utilizado como aislante, presenta mayor envejecimiento por temperatura y tiempo cuando se encuentra expuesto al aire. Esto provoca la formación de lodos, lo que se disminuye notoriamente si se protege al aceite del contacto con el aire. Es por esto que los transformadores pueden presentar tanques de expansión, una capa de gas inerte, o ir en cubas estancas.

Fig. 1 – Ejemplo de transformador aislado en aceite con su cuba de expansión.

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Fig. 2 – Vista de un bobinado y su aislamiento sólido..

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Según la norma IRAM 2008, existen estos tipos de aislantes:     

Clase O: algodón, seda, papel y materiales orgánicos similares, sin impregnación y que no estén sumergidas en aceite. Temperatura máxima de utilización: 90 ºC. Clase A: algodón, seda, papel y materiales orgánicos similares, impregnadas o sumergidas en aceite y las sustancias denominadas esmaltes. Temperatura máxima de utilización: 105 ºC. Clase B: mica, amianto y materiales inorgánicos análogos mezclados con un aglomerante. Temperatura máxima de utilización: 130 ºC. Clase C: mica (sin aglomerante), porcelana, vidrio, cuarzo y otros materiales similares. Temperatura máxima de utilización: por encima de 180 ºC. Clase H: Este aislamiento consiste de materiales tales como el silicón, elastómetros y combinaciones de materiales tales como la mica, la fibra de vidrio, asbestos, etc., con sustancias aglutinables como son las resinas y silicones apropiados. Temperatura máxima de utilización: 180 ºC.

Fig. 3 – Curvas de variación de la vida útil del aislamiento en función de la temperatura de trabajo de la máquina.

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Fig. 4 – Ejemplo de aislamiento en papel para el bobinado y separación con resina entre arrollamientos, de un transformador de aislamiento seco.

Fig. 5 – Proceso de construcción de bobinado y sus partes aisladas.

La combinación del aceite con aislantes sólidos presenta una mayor rigidez dieléctrica (Fig. 4-6). Estos aislantes sólidos se utilizan en los siguientes lugares:  

Aislamiento entre espiras. Aislamiento entre capas.

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  

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Aislamiento entre bobinas. Aislamiento entre arrollamientos. Cerquillos.

Fig. 6 – Esquema de un transformadores aislado en resina epoxídica.

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TRANSMISIÓN DEL CALOR. El calor desarrollado por las pérdidas en los transformadores se transmite de tres maneras diferentes: por conducción, radiación y convección. Transmisión por conducción. Se da dentro de la masa sólida o líquida, o entre dos sustancias de igual naturaleza. La cantidad de calor así transmitida es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre la parte más caliente y la más fría y a la superficie de contacto perpendicular a la dirección de conducción e inversamente proporcional a la resistividad térmica de la sustancia. La resistividad térmica es la diferencia de temperaturas que debe existir entre dos caras opuestas de un cubo de 1 (cm) para conducir el calor de 1 (Watt) a través del cubo (Tabla 1: Resistividad térmica del agua, aire y otros materiales). Esto se puede expresar de la siguiente manera: H 

A  LR

siendo: H = potencia perdida en (Watts) que pasa a través del material. A = superficie en (cm2). L = longitud de pasaje del flujo calorífico.  = diferencia de temperaturas en ºC. R = resistividad térmica.

Material Agua Aire Aceite de transformadores Cobre puro Cobre industrial Hierro forjado Hierro fundido Acero (chapas laminadas en sentido longitudinal para núcleo) Acero (chapas laminadas en sentido transversal para núcleo) Aluminio

Tabla 1 – Valores de resistividad térmica de algunos materiales.

Resistividad térmica (ºC/W/cm2) 178 4,35 625 0,227 0,287 1,27 2,5 6,1 64 0,76

Transmisión por convección. La transmisión por convección se da entre un sólido y un fluido en movimiento. La superficie sólida transmite el calor a un medio refrigerante haciendo que la temperatura de éste aumente y provoque la disminución de su densidad. El fluido con menor densidad asciende y es reemplazado por otro más pesado (por estar a menor temperatura), generándose un proceso continuo de circulación. El calor transmitido por esta forma depende también de la superficie de contacto. Empíricamente, el 8 / 26

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calor transmitido por convección en función de la elevación de la temperatura se puede expresar de la siguiente manera: Wc  K   n

donde: Wc  potencia disipada por cm 2 K  0,217  10 3 n  1,25

Estos dos valores de n (que depende de la forma y posición de las superficies) y K fueron obtenidos experimentalmente para superficies planas y verticales en el aire, de alturas mayores a 60 (cm), trabajando a nivel del mar y con elevaciones de temperatura de 75 ºC. Para el caso de superficies onduladas, que ofrecen una resistencia apreciable a la circulación del aire, se aplica un factor de corrección (coeficiente de rozamiento del aire) que depende del ancho y de la profundidad de los espacios entre las ondulaciones. También se observa que la pérdida de calor varía con la raíz cuadrada de la densidad relativa del aire y se obtiene la expresión siguiente: Wc  0,217  10 3  F 

p rel   1, 25

La transmisión de calor por convección es más favorable en superficies lisas horizontales superiores, llegando a ser hasta un 20 % mayor que en el caso de superficies verticales. En superficies horizontales inferiores, la disipación es menor debido a que el aire debe circular a lo largo de la superficie antes de elevarse.

Tabla 2 – Pérdidas por convección en miliwatts por cm2 de superficie.

Transmisión por radiación. Se produce debido a que todo cuerpo que se encuentre a una temperatura superior a la del ambiente que lo rodea irradia energía calorífica en forma de ondas. A medida que aumenta la temperatura, el punto de máxima irradiación de energía se corre en el sentido de las longitudes de onda decrecientes. La superficie efectiva de radiación es siempre igual a la envolvente exterior del cuerpo, cualquiera que fuese su forma, cuando ésta es de color negro mate. En caso de no serlo, el 9 / 26

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valor del área de esta superficie se debe afectar por un factor de irradiación o coeficiente emisor del calor del cuerpo que depende del color del material y que varía entre 0,1 y 0,95. La transmisión de calor por radiación se explica mediante la ley de Stefan-Boltzman:

Wr  K  ec  Tc4  Ta4  donde: Wr  potencia irradiada (W/cm2) K  0,57

ec  factor de irradiación (0,1 – 0,95) Tc =temperatura absoluta del cuerpo caliente (ºK). Ta

=temperatura absoluta del aire ambiente (ºK).

Tabla 3 – Valores de irradiación total para muy bajas temperaturas. (Ensayos de Nacional Bureau of Standards y General Electric Research Laboratories).

Tabla 4 – Transmisión del calor por radiación.

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Tabla 5 – Pérdidas por radiación y convección de las superficies verticales en función del aumento de temperatura para tres temperaturas ambientes diferentes y dos emisividades distintas.

CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO. Calentamiento. Para obtener las curvas representativas de calentamiento y enfriamiento, se deberán hallar las ecuaciones que representen la sobreelevación de temperatura en función del tiempo. Para encontrar estas funciones, se debe partir de una ecuación de equilibrio termodinámico, la cual se define en función de las consideraciones que se detallan a continuación. Si se toma un instante de tiempo cualquiera comprendido entre la puesta en marcha y el momento en que se alcanza la temperatura de régimen, y se considera un intervalo de tiempo dt, las pérdidas habrán entregado una cantidad de calor dQ = q . dt de donde una parte se utiliza para aumentar la temperatura del cuerpo homogéneo en una cantidad d  y otra parte se irradia al medio más frío. En base a esto se puede establecer la ecuación diferencial de equilibrio termodinámico: dQ  q  dt  G  c  d  S  h    dt

q = calor aportado por pérdidas en la unidad de tiempo. dt = intervalo de tiempo considerado. G = peso total del cuerpo homogéneo. c = calor específico del cuerpo homogéneo. d = incremento de temperatura en el intervalo. S = superficie emisora total del cuerpo homogéneo. H = coeficiente de emisión del cuerpo homogéneo.  = temperatura durante el intervalo dt. (Sobreelevación).

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(ec. 8)

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Al llegar al equilibrio, todo el calor producido por pérdidas será evacuado, y por lo tanto d = 0 lo que permite expresar la ecuación 8 como sigue: q  S  h   max

(ec. 9)

siendo  max la sobreelevación máxima de temperatura que vale:  max 

q S h

(ec. 10)

Como se quiere encontrar la función   f  t  , se procede a resolver la ecuación 8, en la que se dividen ambos miembros por el producto S.h: q  dt G  c   d    dt S h S h

(ec. 11)

designando como constante de tiempo al valor: T 

G c S h

(ec. 12)

que reemplazado (ec. 10) y (ec. 12) en la (ec. 11) queda:  max  dt  T  d    dt  max  dt    dt  T  d

 max     dt  T  d

T

 d  max   t  T ln max     C

dt 

Para determinar la constante C partimos de las condiciones iniciales para cuando t=0 y la sobreelevación de temperaturas también es nula: si t  0    0  C  T ln  max

 t  T ln  max  T ln  max     max t  T ln  max    max t  ln T  max     t   ln max T  max e



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

t T



 max    max 

   max  1  e 





t T







(ec. 13)

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Esta ecuación representa la variación de la sobreelevación de temperaturas en función del tiempo transcurrido desde la puesta en marcha de la máquina. Su representación gráfica es la siguiente:

 max

 max

   a  

40 º C

a

a

t Aquí se observa cómo la sobreelevación crece en forma asintótica al valor de sobreelevación máxima que se daría para un tiempo infinito. Además, según la ecuación 2a, la temperatura a la que se encuentra el cuerpo homogéneo es igual a la suma de la sobreelevación más la temperatura ambiente:     a

(ec. 14)

siendo la temperatura ambiente  a fijada por norma IRAM en 40 ºC. Enfriamiento. A continuación se procede a estudiar el enfriamiento del cuerpo homogéneo. Para este caso, se admite que el mismo se encuentra a una temperatura máxima y en ese momento deja de funcionar, desapareciendo en consecuencia las pérdidas y por lo tanto la fuente de calor. Se hace un planteo análogo al caso de calentamiento, considerando q = 0. Así, la ecuación 8 queda: q  dt  0  G  c  d  S  h    dt

Gc  d    dt S h 0  T  d    dt d dt  T   0

t  T ln   C

Para determinar la constante C partimos de las condiciones iniciales para cuando t=0 y la sobreelevación de temperaturas es máxima: si t  0     max  C  T ln  max

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 t  T ln  max  T ln 

t  T ln

 max 

 t  ln max T  t    ln T  max e



t T



  max

   max  e



t T

Esta es la ecuación que representa el enfriamiento, y su gráfica es la siguiente:

 max

 max

 a   a  

a

t En el gráfico se observa cómo la curva de sobreelevación se hace asintótica con el valor de la temperatura del aire. CONSTANTE DE TIEMPO. Se puede definir a la constante de tiempo como el tiempo que sería necesario para que la temperatura variase desde el valor inicial al valor de temperatura máxima, si se mantuviese el ritmo inicial de aumento hasta alcanzar la temperatura final y si su disipación térmica fuese nula. La evacuación térmica es proporcional al salto de temperatura entre las superficies de la máquina y el medio ambiente, por lo tanto, mientras más funciona la máquina, más eleva su temperatura y más calor emite en la unidad de tiempo. Esto sucede hasta que se alcanza la temperatura de régimen en donde la temperatura del cuerpo ya no se eleva más. Para mostrar este sentido físico que tiene la constante de tiempo, se parte de suponer que el cuerpo homogéneo está impedido de emitir calor. Así, todo el calor aportado por las pérdidas es empleado en aumentar la temperatura. Por esto, de la ecuación 8, partimos teniendo en cuenta el primer del término del segundo miembro solamente: 14 / 26

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q  dt  G  c  d

integrando, se obtiene: q  t  G  c   C

Nuevamente para obtener el valor de la constante C partimos de condiciones iniciales t=0 y  =0.

C  0 t

G  c  q

y según la ecuación 9, q  S  h   max G  c  S  h   max

t

(ec. 15)

para el valor de temperatura    max , la expresión resulta: t

Gc T S h

de donde se deduce que la constante de tiempo es el tiempo que tardaría en alcanzar la temperatura máxima, si su disipación térmica fuese nula. Por otro lugar, como q  S  h   max  S  h 

T 

q y reemplazando este valor en la ecuación 15:  mx

G  c   max q

Esta expresión permite determinar la constante de tiempo, teniendo en cuenta que: T = constante de tiempo en (seg). G = peso en (kg).

  c = calor específico del medio en  kCal kg º C      q = calor de las pérdidas en  kCal seg     max = sobreelevación máxima en (ºC). DISTINTOS TIPOS DE REFRIGERACIÓN EN TRANSFORMADORES. 

Transformadores sumergidos en aceite con refrigeración natural:

Como es necesaria una gran superficie para lograr una mejor disipación del calor, si se sumerge al transformador dentro de una cuba de paredes lisas que contenga aceite se puede conseguir esta gran superficie y refrigerar al transformador. El problema aparece cuando el transformador es de 15 / 26

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potencias superiores a 25 kVA, en los cuales el tamaño de la cuba sería demasiado grande y antieconómico. Para solucionar esto y poder agrandar el tamaño de la superficie de la cuba sin que se varíe su volumen, se emplea chapa ondulada en la construcción. Así para un mismo volumen la superficie es mayor, aunque la disipación de calor no aumenta en la misma proporción que el aumento de superficie. De ser necesaria una mayor superficie, se emplean tubos metálicos exteriores o conjuntos de tubos adosados a las paredes de la cuba, pudiendo agregarse también radiadores.



Transformadores sumergidos en aceite con refrigeración por agua:

En máquinas muy grandes en los que resultaría muy costo el uso de radiadores para refrigeración natural se recurre al uso de agua circulando a través de serpentinas de cobre sumergidas dentro del mismo aceite en el que se encuentra el transformador, siendo el tanque de paredes lisas. Este método también presenta gran seguridad ya que se han presentado muy pocas fallas por perforación de los tubos. No obstante esto es una limitación para su uso, ya que por temor a que el agua se mezcle con el aceite por alguna falla, se prefiere refrigeración natural a pesar de ser más costosa. 

Transformadores sumergidos en aceite con refrigeración forzada de aceite:

Estos se dividen en dos grupos. Los del primer grupo son aquellos en los que el aceite se hace circular por medio de una bomba desde el tanque del transformador a través de refrigeradores en agua. En cambio, en los del segundo grupo, el aceite circula a través de refrigeradores en aire. En ambos casos el aceite puede o no ser proyectado contra las bobinas.

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Cuando el aceite es proyectado contra las bobinas por medio de una bomba, la refrigeración se llama de “corriente de aceite dirigida”. Si el aceite no se proyecta contra las bobinas, la refrigeración se llama de corriente indirecta de aceite”. La ventaja de la primera es que gracias a la velocidad que alcanza el aceite proyectado, el transformador se puede construir de un peso y volumen menor. Esto se traduce en menor costo, mayor facilidad de transporte. 

Transformadores sumergidos en aceite con refrigeración forzada por aire:

Con este tipo de refrigeración, un mismo transformador puede suministrar una potencia de entre un 25 y un 67 % más que con refrigeración natural por aire. Esto se logra con ventiladores de gran velocidad.



Transformadores de tipo seco con refrigeración natural y forzada:

Estos pueden llegar a ser transformadores de hasta 15000 kVA. Para forzar la refrigeración, se colocan ventiladores debajo de los bobinados y del núcleo lo que acelera la circulación del aire a través de ellos. 17 / 26

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Signifi de la

cado sigla,

constituida por 2 ó 4 letras, que define el modo de refrigeración de un transformador sumergido (Por ejemplo, Transformador 132/66 kV de 16 kVA, ONAN) De acuerdo con la norma IEC 60076-2, página 8: * Primera Letra: Fluido de refrigeración interna en contacto con los bobinados. O = hidrocarburo o líquido aislante de síntesis de punto de ignición ≤ 300°C K = líquido aislante con punto de ignición> 300°C L = líquido aislante con punto de ignición no mensurable * Segunda Letra: Modo de circulación del fluido de refrigeración interno. N = circulación natural por termosifón a través del sistema de refrigeración y de los bobinados F = circulación forzada a través del sistema de refrigeración, circulación por termosifón en los bobinados D = circulación forzada a través del sistema de refrigeración y dirigida del sistema de refrigeración hasta los bobinados principales por lo mínimo *Tercera Letra: Fluido de refrigeración externo. A = aire W = agua * Cuarta Letra: Modo de circulación del fluido de refrigeración externo. N = convección natural F = circulación forzada (ventiladores, bombas). TIPOS DE SERVICIO NORMALIZADOS. Una máquina eléctrica puede ser usada de diversas formas, y de acuerdo a ello será su tipo de servicio, o clase de servicio. Las normas IRAM determinan tres tipos según las siguientes definiciones: -Servicio permanente: es el caracterizado por el funcionamiento ininterrumpido de la máquina a 18 / 26

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régimen nominal, durante tiempo ilimitado. -Servicio temporario: es el caracterizado por el funcionamiento de la máquina a régimen nominal durante un lapso determinado y de manera que en el período de reposo, su temperatura desciende hasta la del medio ambiente. -Servicio intermitente: es el caracterizado por el funcionamiento de la máquina a régimen nominal durante un lapso determinado seguido de un lapso de reposo, también determinado durante el cual su temperatura no desciende hasta la del medio ambiente. Si bien estas definiciones normalizadas son de por si suficientemente claras, como para tener una idea sobre la forma en que trabajan las máquinas según su clase de servicio, agregaremos un ejemplo que nos permite apreciar las diferencias más notables enfocadas desde el punto de vista del calentamiento. Para ello se presentan las curvas de calentamiento de una misma máquina, trabajando en las tres clases de servicio (Fig. 7). En servicio permanente, la sobreelevación de la temperatura alcanza el valor  max , bajo el cual deberá estar en condiciones de funcionar indefinidamente. la misma máquina con servicio temporario tiene un período de marcha tm, y otro de reposo tr, y la suma de ambos valores proporciona el tiempo del llamado ciclo de trabajo T. finalizado el ciclo, la temperatura vuelve a ser prácticamente la del ambiente. En el servicio intermitente, al finalizar los períodos de trabajo T, la máquina no alcanza la temperatura de partida del ciclo, lo que da lugar a que se produzca un paulatino aumento hasta alcanzar el valor final

"

max

.

Fig.7 – Curvas de calentamiento de una máquina a diferentes clases de servicio.

ENSAYOS DE TRANSFORMADORES. 

Ensayo de calentamiento.

En un transformador normal, refrigerado por aceite o piraleno, interesa conocer la temperatura de trabajo en tres partes: devanados, núcleos y aceite (o piraleno). 19 / 26

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Para un funcionamiento del transformador, en cualquier parte citada, la temperatura no ha de sobrepasar los límites establecidos por las Normas. Si el incremento de temperatura de reposo a carga es correcto en el aceite, pero no lo es en el devanado, estará mal diseñado; igual sucedería en el caso inverso. Los métodos de medición de temperatura se resumen a tres: a) Método por termómetros. b) Método por variación de resistencia. c) Método por indicadores internos de temperatura. 1 - Método

por termómetros. Este método consiste en medir la temperatura por medio de termómetros aplicados sobre el aceite y sobre el núcleo. Los termómetros suelen ser de mercurio o de alcohol, con escalas diferentes según se trate de medir la temperatura ambiente (ej.: O - 50 ºC) o la temperatura del fluido refrigerante (ej.: O - 140 ºC). Es importante asegurar un buen contacto térmico entre el termómetro y la parte a medir, para lo cual se utilizan papeles de aluminio o estaño, en el caso de mediciones de temperaturas de la cuba O radiadores, o bien, directamente para el medio refrigerante. En la medición de temperaturas ambiente se suelen introducir los termómetros en pequeños recipientes de aceite, asegurándose así un valor más exacto. 2 - Método por variación de resistencia Este método consiste en determinar el calentamiento de los devanados a partir del aumento de su resistencia desde reposo a funcionamiento en carga. En la práctica, se utiliza para el cobre la fórmula:

 2  1 

R2  R1   235  1  R1

Donde:

R2 = resistencia del devanado en caliente (  ). R1 = resistencia del devanado a la temperatura en frío (  ).  2 = temperatura del devanado en caliente (ºC).  1 = temperatura ambiente en frío (ºC). Este método es mucho más preciso que el de termómetros, en la medición de temperaturas en los devanados. 3 – Método por indicadores internos de temperatura. Los indicadores internos son los termómetros de resistencia y pares termoeléctricos que se introducen en el transformador durante su construcción, en puntos que son inaccesibles durante su funcionamiento. El termómetro eléctrico de resistencia se basa en el aumento de resistencia de un fino hilo de cobre o níquel, cuando aumenta la temperatura donde está alojado. El par termoeléctrico se fundamenta en el efecto Seebeck, consistente en la producción de una f. e. m. (proporcional a la temperatura) cuando se calienta la unión de dos metales diferentes (ej.: cobre-constantán, hierro-constantán). Este método no suele ser muy utilizado en los transformadores, y en todo caso puede ser de aplicación en diseños o en algún caso especial.

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Ensayos de calentamiento. La representación de la temperatura en función del tiempo para un transformador de servicio continuo, viene dado por una función exponencial como se muestra en la siguiente figura. El ensayo de calentamiento se limita a obtener los puntos de dicha gráfica, para lo cual es necesario medir la temperatura y el tiempo, una vez que el transformador funciona a plena carga. Sin embargo, este sistema presenta el inconveniente de los ensayos directos para máquinas de gran potencia, siendo imposibles de realizarlos. Por esto se justifica el empleo de métodos indirectos como son: -

Ensayo de cortocircuito. Ensayo de oposición.

En ambos tipos de ensayo, el tiempo de duración se toma hasta alcanzar el equilibrio térmico.

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a- Ensayo de cortocircuito. Una vez conocidas las pérdidas en el hierro por ensayo de vacío y las pérdidas en el cobre por ensayo de cortocircuito, se suman ambas y se obtienen las pérdidas totales en el transformador. Se realiza el ensayo en cortocircuito del transformador con la condición de que la potencia activa consumida durante el proceso del ensayo coincida con las pérdidas totales, consiguiéndose con una corriente I´1 algo superior a la nominal. La duración del ensayo será la necesaria para que el aumento de temperatura en el aceite o piraleno se estabilice. El incremento de temperatura en el aceite es similar al que tiene lugar en funcionamiento normal del transformador. La temperatura se medirá por un termómetro sumergido en aceite en la parte superior de la cuba. A continuación se reduce la tensión de cortocircuito, hasta que circula la corriente nominal dejándose el tiempo necesario para que se estabilice de nuevo la temperatura del aceite, que será inferior a la anterior. De esta forma circulará la corriente de trabajo por los devanados y, por tanto, darán lugar a un calentamiento similar al de funcionamiento normal, pudiéndose deducir su temperatura final, para lo cual será necesario desconectar el transformador de red y medir rápidamente la resistencia de sus devanados (en caliente).

,

¡ l

¡ ~ I

J

11

¡

I¡ ;

· • .

I

f

I

I ¡ J

I Fig.9 – Esquema de montaje de un transformador en cortocircuito.

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I

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b- Ensayo en oposición (método de recuperación). Son muy adecuados en el caso de disponerse de dos transformadores iguales, Cosa muy frecuente en los Laboratorios de las Escuelas y en las fábricas dedicadas a su construcción, y permiten averiguar el calentamiento tanto en el aceite, como en los devanados. En la figura 10 se ha representado el esquema de conexiones correspondientes al ensayo de calentamiento de dos transformadores idénticos (TI y T2) en conexión triángulo-estrella, en el que se observa la conexión en paralelo de los devanados de B.T., alimentados a su tensión y frecuencia nominales; los devanados de A.T. se conectan entre sí en oposición, y se unen en serie a través del secundario de un transformador auxiliar. El transformador auxiliar produce una tensión (~ 2 ucc), que dará lugar al paso de la corriente nominal, señalada en el esquema por las flechas y amperímetros. Para conseguir ajustar el valor de la corriente, es aconsejable que el transformador auxiliar sea del tipo autotransformador. También pueden utilizarse como transformadores auxiliares, transformadores trifásicos de regulación continua. Este método presenta la ventaja inherente a los métodos de recuperación de energía, de forma que la red solamente ha de suministrar las pérdidas de potencia totales de los dos transformadores, pudiéndose utilizar incluso en los grandes transformadores. Una variante del esquema anterior, lo ofrece el representado en la figura, que aprovecha las tomas de regulación de un transformador para conseguir la circulación por los devanados de la corriente nominal. Actualmente los transformadores de potencia se construyen con tomas de regulación, por lo que este método no presenta dificultades.

Fig.10 – Esquema de ensayo de oposición.

Ensayos de aislamiento. La medida de aislamiento consiste en verificar el total aislamiento de los circuitos eléctricos del transformador entre sí, y entre éstos y las partes metálicas del transformador. Un aislamiento defectuoso no detectado por el comprobador de continuidad puede provocar cortocircuito en el transformador y generar mayores problemas en el funcionamiento, además de poner en peligro a las personas que estén cerca de éstos. Para ello se utiliza un aparato de medida llamado «medidor de aislamiento» o megóhmetro. El ensayo consiste en medir entre masas y los bobinados una tensión entre 500 y 1 000 voltios en corriente continua suministrada por el medidor de aislamiento (megger). Para que la resistencia de aislamiento cumpla los límites establecidos por el Comité Electrotécnico Internacional, el valor mínimo será:

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Rais = U . 1000 Donde: Rais= resistencia de aislamiento en  con un mínimo de 250000 M  .

M

U = tensión más elevada de la máquina en voltios.

Fig.11 – Esquema de conexión.

Ensayos dieléctricos. Tienen por misión el comprobar la resistencia de los aislantes a su perforación, al ser sometidos a una tensión superior a la nominal. A diferencia del ensayo de aislamiento, en el ensayo de rigidez dieléctrica, la tensión debe ser de frecuencia industrial (50 Hz) y de forma prácticamente senoidal. Es aconsejable realizar este ensayo a la temperatura de régimen, por disminuir las propiedades dieléctricas de los materiales en función del incremento de temperatura. En los ensayos de rigidez dieléctrica, la tensión a aplicar y su duración vienen dictadas por las normas de cada país, para los diversos tipos de transformadores nuevos, antes de su puesta en servicio. Es importante indicar que este tipo de ensayos es perjudicial para el aparato, por lo que se hará una sola vez a las tensiones de prueba indicadas por las normas. Los ensayos de rigidez dieléctrica son: -Entre conductores y masa. -Entre conductores (sobretensión). Por la importancia que adquiere el ensayo de rigidez dieléctrica del aceite, se explicará a continuación de los anteriores. a) Ensayo de rigidez dieléctrica entre conductores y masa. Consiste en aplicar la tensión de prueba dada por las normas durante un minuto entre cada devanado y el resto de devanados conectados a masa (fig. 12). El ensayo debe empezarse con una tensión no superior a la mitad de la plena tensión de ensayo, aumentándose en forma continua, y siendo como mínimo diez segundos el tiempo para pasar desde la mitad a la plena tensión. Si el transformador ha sido rebobinado totalmente, se ensayará a la plena tensión especificada para los transformadores nuevos. En la tabla se indican las tensiones de prueba del ensayo, según normas internacionales. 24 / 26

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Fig.12 – Esquema de conexión.

b) Ensayo de rigidez dieléctrica del aceite. La rigidez dieléctrica del aceite, y con ella el grado de aislamiento de un transformador, varía fuertemente en función del contenido de agua. A título orientativo, se puede decir que un aceite conteniendo 60 p. p. m. (0,6 ml/l) de agua tiene una rigidez dieléctrica de 50 kV/cm y ésta aumenta a 230 kV/cm si el contenido de agua se reduce a 10 p. p. m. (0,1 ml/l). La primera precaución a tomar, antes de realizar el ensayo, es asegurarse que el recipiente en el que se va a recoger la muestra está limpio y seco. Se emplearán recipientes de vidrio con tapón del mismo material, y si no es posible, con tapón de corcho. El local del ensayo debe ser seco y su temperatura comprendida entre 20 y 30 ºC. La temperatura del aceite estará comprendida entre 20 y 30°C. Se limpiará y secará la cubeta donde se va a efectuar el ensayo, evitando cualquier residuo metálico o carbonoso. Una vez la cubeta en condiciones, se llenará suavemente con el aceite a probar, procurando que no entren burbujas de aire ni se forme espuma, hasta que sobrepasa en 20 mm la altura de los electrodos, dejándose reposar durante diez minutos. A continuación, se irá elevando la tensión, de forma que el incremento de ésta no sea superior a 3 kV/s, hasta alcanzar el valor establecido. Una vez alcanzado, se esperará dos minutos; pasados estos se volverá a operar como se ha dicho anteriormente, y así hasta un total de cinco pruebas. Si el arco se produce en algunas de las pruebas, es necesario repetir el ensayo y si nuevamente se produce, el aceite no reunirá condiciones, y habrá de tratarse.

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BIBLIOGRAFIA -La Escuela del Técnico Electricista, Alfred Holtz, Tomo VII, Transformadores. -Teoría Clásica y Problemas, Tomo I, M. A. Sobrevila. -Manual Standard del Ingeniero Electricista, A. E. Knowlton. -Máquinas Eléctricas, A.E. Fitzerald- Kingsley. -Transformadores, Apunte de Cátedra. - Máquinas Eléctricas y transformadores. Edwin Kosow. Páginas visitadas: www.mcgraw-hill.es www.tadeoczerweny.com.ar www.cunext.com www.weg.com www.zetrak.com.mx www.abb.com www.siemmens.com

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