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Universidad del valle, Andrés Camilo Manzo, Partes de un transformador de potencia

Partes de un transformador de potencia Andrés Camilo Manzo Ceron Universidad del valle Colombia [email protected]

INTRODUCCION La invención del transformador se remonta al año de 1831 cuando Michael Faraday enrollo en un toroide de alambre dos bobinas una conectada a una batería y otra a un galvanómetro, Faraday se dio cuenta de que solo se producía un señal en el galvanómetro en el instante que pretendía y apagaba la batería, lo cual ocurre por el campo magnético variable que se produce en ese instante, con esta información Faraday planteó la ley de inducción que hoy lleva su nombre y es el principio fundamental del transformador. Este artículo presenta las partes de un trasformador de potencia el cual es un maquina eléctrica indispensable para que llegue tensión a cada uno de nuestros hogares. Nucleo los primeros transformadores fabricados en la década de 1880 tenían núcleos elaborados con acero forjado de alto grado. alrededor de 1900 se descubrió que adicionar silicio o aluminio al hierro se reducía la pérdida magnética, ese método de fabricación es con el cual elaborarán lo que hoy conocemos como núcleo con grano orientado1. El acero de silicio para los núcleo de los transformadores se usó por primera vez en 1906 y se produjeron láminas con un espesor de 0.35mm aproximadamente esto para las laminaciones de acero en caliente. Los principios de fabricación de acero de grano orientado al fio se conocían desde la década de 1920 y que los cristales de acero al silicio eran anisótropos, pero fue solo hasta 1934 que se hizo uso comercial de dicha propiedad, el primer acero al silicio con grano orientado en frio se produjo en 1934 y tenía un grosor de 0.32mm. El nucle es una parte fundamental del tranformador, debido a que este es el que direcciona el flujo magnetico, a una parte del nucleo se le llama pierna o extremidad, la cual esta rodeada por los debanados del transformador, a la otra parte se le denomina

yugo, esta ultmima no esta rodeada por las bobinas, pero es esencial para completar el camino del flujo magnetico. Existen varios tipos de nucleos tipo arrolllado,tipo apilado y tipo acorazado, en los transformadores de potencia se utiliza el tipo acoradado ya que posee la ventaja de obtener un valor de impedancia muy bajo (figura 1) , ademas permite al diseñador reducir la altura total del nucleo y la altura de transporte, mientras que la altura de la extremidad y el espacio de la ventana pueden permanecer ingual que el de un nucleo de tres piernas. La construccion del nucleo de un transformador se colocan las laminas de acero al silicio de tal manera que los espacions entre laminaciones en las piernar del nucleo y los yugos se superponen por la lamina de la siguiente capa. Esto se hace para que no haya una brecha continua cuando las laminas se apilan una sobre otra, la distacia de superposicion se mantiene entre los 15 y 20mm. En los tranformadores de potencia se utiliza nucleos con inglete(Figura 2) para que se aproveche mejor el flujo y la propiedad de grano orientado que tiene actualmente las lamina, laminas esta electricamente asilada de las demas, para mejorar la eficiencia al momento de dirigir el flujo magnetico.2

Figura 1

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Para los transformadores de potencia el cable del bobinado puede ser cinta cuadrada o rectangular, generalmente aislada con papel impregnado de aceite. Cuando se desee la operación del transformador a altas temperaturas, se puede usar aislamiento especial de vidrio o plástico. El aislamiento debe soportar ademas de las tensiones de funcionamiento normales, debe soportar sobretenciones de alto voltaje resiltante de descargas electricas o cualquier tipo de perturbacion. En el transformador de tipo acorazado, a menudo se emplea la construcción de panqueques (Figura 3). Aquí, las bobinas de alto voltaje y bajo voltaje se colocan alternativamente alrededor el núcleo, con el aislamiento requerido entre ellos, teniendo cada bobina la apariencia rugosa de un panqueque. A menudo, se deja espacio entre las bobinas para fines de enfriamiento. Tal disposición de bobinas reduce la reactancia entre las bobinas y mejora la operación del transformador.4

Figura 2 Bobinas Es la parte fundamental del transformador, ya que son la que tranforman la alta tencion en baja y viseversa, Los primeros devanados del transformador estaban hechos de conductores redondos y eran de doble hilo recubierto de algodón. Estos se enrollaron en un torno y se les dio a las bobinas una capa final de goma laca. El cobre y el aluminio son los principales materiales utilizados como conductores en los devanados del transformador de potencia, si bien el aluminio es más liviano y generalmente menos costoso que el cobre, se debe usar una sección transversal mayor del conductor de aluminio para transportar una corriente con un rendimiento similar al del cobre. la sección transversal del conductor debe ser lo suficientemente grande como para transportar la corriente sin sobrecalentamiento, y se debe proporcionar suficiente espacio para el aislamiento y las vías de enfriamiento, si corresponde.3

Figura 3 ACEITE En 1887, un año después de que Stanley diseñó y construyó los primeros transformadores en los Estados Unidos, Elihu Thompson patentó la idea de utilizar aceite mineral como un medio de enfriamiento y aislamiento. Aunque los materiales han mejorado dramáticamente, el concepto básico de un sistema aislante de celulosa sumergido en aceite ha cambiado muy poco en más de un siglo.5 El aceite mineral que rodea el conjunto de núcleobobina del transformador mejora la resistencia dieléctrica del bobinado y evita la oxidación del núcleo. La mejora dieléctrica ocurre porque el aceite tiene una resistencia eléctrica mayor que el aire y porque la constante dieléctrica del aceite, 2.2, es más cercana a la del aislamiento de papel kraft. Como

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resultado, la tensión en el aislamiento se reduce cuando el aceite reemplaza al aire en un sistema dieléctrico. El aceite también recoge calor mientras está en contacto con los conductores y transporta el calor a la superficie del tanque por un proceso natural. Por lo tanto, un transformador sumergido en aceite puede tener espacios eléctricos más pequeños y conductores más pequeños para las mismas clasificaciones de voltaje y kVA.

estándares físicos y químicos; además, deben cumplir con las especificaciones de las propiedades eléctricas. Las propiedades eléctricas dependen, en general, de las propiedades físicas y químicas del papel. Las propiedades eléctricas más importantes son: alta resistencia dieléctrica, constante dieléctrica: en los transformadores llenos de aceite lo más cerca posible de un aceite, bajo factor de potencia (pérdida dieléctrica).

Aislantes

La constante dieléctrica para el papel kraft es aproximadamente 4.4 y para el aceite del transformador la cifra es aproximadamente 2.2. En un sistema de aislamiento compuesto por diferentes materiales, estos comparten el esfuerzo en proporción inversa a las constantes dieléctricas, de modo que en el sistema de barrera de alto a bajo de un transformador, la tensión en el aceite será el doble que en el papel. Al diseñador de transformadores le gustaría ver la constante dieléctrica del papel más cercana a la del aceite, de modo que el papel y el aceite casi comparten el estrés.6

Las crecientes demandas de suministro de electricidad han llevado a aumentar el tamaño de las unidades y voltajes de transmisión cada vez mayores. Se requiere que las clasificaciones y voltajes de los transformadores aumenten constantemente para mantenerse al ritmo de esto, de modo que han estado empujando los límites físicos de tamaño y peso de transporte desde la década de 1950. Que los voltajes nominales del transformador y los rendimientos de MVA han seguido aumentando ya que este tiempo sin exceder estos límites físicos se ha debido en gran parte al mejor uso que se hace del aislamiento. (Ayudado por un mejor análisis de la distribución de tensiones dieléctricas en el aislamiento utilizando análisis de elementos finitos). Un aspecto vital es la vida del transformador, y esto depende casi por completo del diseño y la condición del aislamiento. los transformadores actuales están llenos casi en su totalidad de aceite, pero los primeros transformadores usaron asbesto, algodón y cartón. La introducción del papel aislante de goma laca a comienzos del siglo XX representó un tremendo avance. Pronto llegó a ser el caso, sin embargo, de que el aire y el papel impregnado de goma laca no podían igualar las capacidades térmicas de los transformadores recién llenados con aceite. Estos sistemas de aislamiento de papel kraft y cartón prensado se complementaban desde 1915 con cilindros aislantes formados con papel kraft impregnado de resina de fenolformaldehído, o papel baquelizado.

Figura 4

Tanque

El diseño del tanque de un transformador se toma después de que finaliza el diseño eléctrico. El diseño mecánico requiere las siguientes entradas: dimensiones del núcleo, detalles de los bobinados, niveles de aislamiento de diseño en varios electrodos, detalles del cambiador de tomas, detalles de papel kraft accesorios casquillos, radiadores, ventiladores, El papel es uno de los materiales de aislamiento bombas, dispositivos de protección, limitaciones de eléctrico más baratos y mejores conocidos. Los peso y tamaño durante el transporte y en el sitio. El papeles eléctricos deben cumplir con ciertos diseñador debe tener en cuenta los requisitos de las

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disposiciones de blindaje del tanque. Las dimensiones y el perfil del tanque se deciden en un plano de disposición trazado a escala teniendo en cuenta los espacios libres eléctricos, los espacios libres magnéticos, los límites de tamaño de transporte y la capacidad de fabricación. El diseño de los refuerzos es un aspecto importante del diseño del tanque. Una disposición de rigidez efectiva puede reducir el espesor de la placa del tanque. Los refuerzos están diseñados de tal manera que el peso del tanque es mínimo y al mismo tiempo es capaz de soportar cargas específicas.

400, está disponible en hojas más grandes. Esto hizo factible la construcción de sumergibles trifásicos y soportes de almohadillas en acero inoxidable.7 Taps

La capacidad de ajustar la relación de espiras de un transformador a menudo es deseable para compensar las variaciones en el voltaje que ocurren debido a la regulación del transformador y los ciclos de carga. Esta tarea se puede lograr de varias maneras. Hay una diferencia significativa entre un transformador que es capaz de cambiar la relación mientras la unidad está en línea (un transformador de cambio de toma de Se espera que un transformador de distribución carga [LTC]) y uno que debe desconectarse, o funcione satisfactoriamente durante 30 años en un desenergizarse, para realizar un cambio de toma. entorno exterior, mientras que los extremos de carga funcionan para debilitar los sistemas de aislamiento La mayoría de los transformadores están provistos de dentro del transformador. Esta alta expectativa exige un medio para cambiar el número de vueltas en el lo mejor en diseño, procesamiento de metal y circuito de alto voltaje, mediante el cual una parte del tecnologías de recubrimiento. Se ha desarrollado un flujo se deriva del circuito. En muchos conjunto de estándares de "integridad del recinto" transformadores, esto se hace utilizando uno de los para fomentar la capacidad de estos transformadores principales wings y tapping. para resistir los entornos en los que operan. Con unidades más grandes, es posible que sea Acero dulce necesario un marcado de derivación específico para evitar los vacíos de giro de amperios que ocurren a lo La mayoría de los transformadores, montados sobre largo de la longitud de la conexión. El uso y la cojinetes tienen sus partes de tanque y gabinete ubicación de los grifos varian de acuerdo con la hechos de acero al carbono suave. En los últimos aplicación y entre los fabricantes. Un mecanismo de años, los principales fabricantes han comenzado a tweed operado manualmente, un DETC (tapchanger utilizar recubrimientos aplicados por métodos desactivado), normalmente se proporciona para un electroforéticos (deposición acuosa) y por acceso conveniente externo al transformador para recubrimiento en polvo. Estos nuevos métodos han cambiar la posición de la toma. Cuando se desean reemplazado en gran medida a los métodos capacidades de LTC, se requieren herramientas y tradicionales de aplicación de recubrimiento de flujo equipos adicionales, lo que aumenta y de rociado de solvente. significativamente el tamaño y el costo del Acero inoxidable. transformador. Esta opción se especifica en aproximadamente el 60% de los transformadores de Desde mediados de la década de 1960 y hasta la década de 1990, los sumergibles monofásicos se fabricaron casi exclusivamente con acero inoxidable de la serie AISI 400. Estos grados de acero inoxidable se seleccionaron por sus buenas propiedades de soldadura y su tendencia a resistir la corrosión del pozo. Últimamente, tanto la serie 400 como el acero inoxidable 304L (bajo contenido de cromo-níquel) se han utilizado para tanques y gabinetes de transformadores. Mientras que 304L es más caro que

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potencia

medianos

y

grandes

nuevos.8 un tanque auxiliar separado. El tanque principal del transformador está completamente lleno de líquido; el tanque auxiliar está parcialmente lleno; y el líquido se expande y contrae dentro del tanque auxiliar. El tanque auxiliar puede '' respirar '', generalmente a través de un respiradero deshidratante. El uso de una bolsa de aire en el tanque auxiliar puede proporcionar una mayor separación de la atmósfera.

Figura 5

Figura 6 Sistemas de preservación de líquidos

Rele '' Buchholz ''

Existen varios métodos para preservar las propiedades del líquido del transformador y las estructuras de aislamiento asociadas. Los sistemas de preservación intentan aislar el ambiente interno del transformador del ambiente externo al tiempo que comprenden que se requiere un cierto grado de interacción o "respiración" para acomodar las variaciones en la presión que ocurren bajo condiciones operacionales, como expansión y contracción de líquido con temperatura. Los sistemas de respiración libres, donde el líquido está expuesto a la atmósfera, ya no se usan. Los métodos más comúnmente utilizados se describen a continuación.

En los transformadores de potencia que utilizan un tanque de expansión, se puede instalar un rele '' Buchholz '' en la tubería entre el tanque transformador principal y el conservador. El propósito del rele Buchholz es detectar las fallas que pueden ocurrir en el transformador. Un modo de operación se basa en la generación de gases en el transformador durante ciertas fallas internas menores. Los gases se acumulan en el relé, desplazando el líquido en el relé, hasta que se recoge un volumen específico, en cuyo momento un flotador acciona un contacto o interruptor. Otro modo de operación implica un aumento repentino de la presión en el tanque principal del transformador, un signo de una falla importante en el transformador. Tal aumento en la presión fuerza al líquido a pasar a través de la tubería entre el tanque principal y el conservador, a través del rele '' Buchholz '', que activa otro contacto o interruptor.9

Los sistemas de presión positiva implican el uso de gases inertes para mantener una presión positiva en el espacio de gas. Un gas inerte, típicamente de una botella de nitrógeno, se inyecta incrementalmente en el espacio de gas cuando la presión interna cae fuera del rango. Los transformadores de potenciat tinen un tanque de expansión se usan con y sin bolsas de aire, también llamadas vejigas o diafragmas, e implican el uso de

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temperatura del bobinado. El método aplicado a los transformadores de potencia implica un transformador de corriente, que se encuentra para incurrir en una corriente proporcional a la corriente de carga a través del transformador. El transformador de corriente alimenta un circuito que básicamente agrega calor a la lectura superior de temperatura del líquido, que se aproxima a una lectura que modela la temperatura del bobinado. Este método se basa en los datos de diseño o prueba del diferencial de temperatura entre el aceite y los devanados, llamado gradiente de devanado.13 Figura 7 Indicador de nivel de aceite

Relé de presión repentina Un relé de presión repentina está destinado a indicar un rápido aumento en la presión interna que puede ocurrir cuando hay una falla interna. Estos relés pueden montarse en la parte superior o lateral de la unidad o pueden funcionar en espacios de líquido o gas.14

Un indicador de nivel de líquido es una característica estándar en los tanques de transformadores llenos de aceite, ya que el medio líquido es esencial para la refrigeración y el aislamiento. Este indicador generalmente es un medidor de cara redonda en el costado del tanque, con un flotador y un brazo Respiradores deshidratantes flotante que mueve un puntero de cuadrante a medida que cambia el nivel del líquido.10 Los respiradores deshidratantes usan un material como gel de sílice para permitir que el aire ingrese y Dispositivos de alivio de presión salga del tanque, eliminando la humedad cuando pasa Los dispositivos de alivio de presión están montados el aire. La mayoría de los tanques son de respiración en tanques de transformadores para aliviar el exceso libre, y dicho dispositivo, si se mantiene de presiones internas que podrían acumularse durante adecuadamente, permite un cierto grado de control las condiciones de operación. Estos dispositivos están sobre la calidad del aire que ingresa al destinados a evitar daños al tanque. En transformador.15 transformadores más grandes, se pueden requerir Bujes varios dispositivos de alivio de presión debido a las grandes cantidades de aceite.11 Los bujes con aislamiento de aceite o llenos de aceite tienen aceite mineral de grado eléctrico entre el Termometro del aceite conductor y los aislantes. Este aceite puede estar Los indicadores miden la temperatura del líquido contenido dentro del casquillo, o puede compartirse interno en un punto cerca de la parte superior del con el aparato en el que se utiliza el casquillo. Los líquido utilizando una sonda insertada en un pozo y casquillos con clasificación de capacitancia también montada a través del costado del tanque del usan aceite mineral, generalmente contenido dentro transformador.12 del casquillo, entre el material aislante y los aisladores con el propósito de impregnar el papel Indicador de temperatura de bobinado kraft y transferir calor desde el conductor Se usa un método de simulación de temperatura de conductor.16 bobinado para aproximarse al punto más caliente del bobinado. Se necesita una aproximación debido a las dificultades involucradas en la medición directa de la

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Transformador y sus partes

Figura 9 Empresas que venden partes del tranformador

Figura 8

Radiadores Consisten en una serie de placas verticales que contienen canales de aceite angostos. Las placas están uniformemente espaciadas y unidas a las tuberías de entrada y salida en la parte superior e inferior. Estas tuberías están conectadas al tanque del transformador y deben estar por debajo del nivel superior de aceite para flujo no bombeado. Soplan aire horizontalmente a través de uno o más radiadores apilados uno al lado del otro. Se puede especificar que un transformador tenga métodos de enfriamiento alternativos, por ejemplo, ONAN / ODAF, que es una disposición de clasificación dual popular en el Reino Unido. El transformador tiene una clasificación ONAN totalmente auto refrigerada, generalmente para cubrir las condiciones de carga base y una clasificación ODAF de refrigeración forzada lograda mediante bombas y ventiladores para proporcionar la condición de carga máxima. Una relación de uno a dos entre las clasificaciones ONAN y ODAF es común.17

Aislante Krempel grup (Alemana) Aceite para transformador Empresa YPF (Argentina ) Medidor de temperatura de aceite TECSYSTEM srl (italia) Medidor de temperatura de bobina Taps bajo carga Relé buchholz Medidor de nivel de aceite Relé de presión repentina Messko GmbH (alemana) Bujes del transformador siemens (Alemana ) Respirador deshidratante waukesha(EE.UU) Referencias [1],[3],[5] J R Lucas., "History Development of the Transformers", IEEE Power Engineering Review, 14 Novienbre 2000.

[2] [7] S.V Kulkarni, S.A Khaparde “Transformer Engineering Desing, Techology, and Diagnostics” Second Edition, pagina 38 ; pagina 425. [4],[8] Anthony J, Pansini, E.E, P,E “Electrical Transformer and Power Equipment” pagina 26; pagina 42 [6] ,[17] Martin J. Heathcote “J and P Transformer Book” pagina 61,pagina 163

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[9],[10],[11],[12],[13],[14],[15] James H. Harlow “Electric Powe Transformer Engineering”Paginas(42-45) [16] Anthony J, Pansini, E.E, P,E “Electrical Transformer and Power Equipment” pagina 36 Referencias figuras Figura1 https://catedra.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/sispot/Li bros%202007/libros/cme/vol-06/1cap11/cm-11b.htm Figura 2 S.V Kulkarni, S.A Khaparde “Transformer Engineering Desing, Techology, and Diagnostics” Second Edition Figura3 https://orff.uc3m.es/bitstream/handle/10016/26239/T FG_Jhon_Freddy_Pena_Munoz_2014.pdf Figura 4 http://www.osdasrl.com.ar/aislantes/clasea.htm Figura5 http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/200 9/12/analisis-de-un-conmutador-bajo-carga.html Figura6 https://es.dreamstime.com/foto-de-archivorespiradero-del-gel-de-silicona-del-transformadorimage72504522 Figura 7 http://blog.educastur.es/cuencanaloninstalacionesdist ribucion/2010/11/02/rele-buchholz/ Figura 8 http://www.directindustry.es/prod/trenchgroup/product-70418-577428.html figura 9 https://orff.uc3m.es/bitstream/handle/10016/26239/T FG_Jhon_Freddy_Pena_Munoz_2014.pdf