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Instituto de Protecciones de Sistemas Eléctricos de Potencia Universidad Nacional de Río Cuarto

Protección de transformadores rurales y de distribución Primeramente se dará un repaso sobre la teoría básica del funcionamiento de transformadores, haciendo hincapié en su comportamiento ante regímenes anormales de funcionamiento

Nociones básicas sobre transformadores. Para el transporte de energía entre sistemas que trabajan a diferentes niveles de tensión se deben utilizar transformadores. El proceso de cambio o de adaptación de niveles de tensión se llama transformación.

Transformador monofásico. Primeramente vamos a ver los aspectos de funcionamiento de un transformador monofásico. Esta máquina consta, en forma simplificada, de un núcleo cerrado de hierro sobre el cual generalmente se disponen dos arrollamientos (bobinas) como se muestra en la figura 1. Los transformadores (trafos) son máquinas eléctricas estacionarias. El arrollamiento que recibe la energía eléctrica se denomina arrollamiento primario, con independencia de si esta conectado a un nivel de alta o baja tensión. El arrollamiento del cual se toma la energía se denomina arrollamiento secundario.

Figura 1 Los números de espiras de esos bobinados son n1 y n2 respectivamente. Tanto el arrollamiento primario como secundario se montan sobre la misma columna de hierro, en la mayoría de los transformadores y se los conoce como transformadores acorazados. El núcleo es el camino por donde circula el flujo magnético, siguiendo un circuito prescrito de una columna a otra. Para cumplir esta función se construye de una aleación hierro-silicio (material ferromagnético) que posee una gran permeabilidad, o sea que conduce muy bien el flujo magnético. En un transformador el núcleo tiene dos misiones fundamentales: a. Desde el punto de vista eléctrico es la vía por la cual discurre el flujo magnético. b. Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los arrollamientos.

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Figura 2

Funcionamiento en vacío. Si aplicamos al primario de un transformador una tensión alterna sinusoidal V 1, manteniendo el secundario abierto circulará una corriente I0 que producirá un flujo dentro del marco magnético. Este flujo variará senoidalmente con la frecuencia de la intensidad de corriente. De acuerdo a la ley de Faraday-Lenz esta variación de flujo inducirá en el primario una fem que se opone a tal variación y por lo tanto a la tensión aplicada. Esto en términos de desfasaje de las ondas senoidales, significa que la fem E1 está 180° retrasada de la tensión aplicada V1. Para generar el flujo magnético, es decir, para magnetizar el núcleo de hierro hay que gastar energía eléctrica, dicha energía se toma del arrollamiento primario. Por lo tanto, la corriente que circula, denominada comúnmente de magnetización o de vacío (I 0) contiene una componente de pérdidas producidas por histeresis y foucault en el núcleo. Esta corriente I0 es varias veces menor a la corriente del arrollamiento sometido a carga nominal (entre 1% y 5%). Las perdidas en el núcleo que se hace mención son producidas, por un lado, por el constante cambio en la magnetización del núcleo de hierro (histéresis), que pueden minimizarse eligiendo un tipo de chapas con bajo coeficiente de perdidas. Por otro lado, como el campo magnético varia respecto del tiempo, en el hierro se inducirán corrientes parásitas llamadas de Foucault. Estas corrientes asociadas con las resistencias óhmicas del hierro motivan perdidas que pueden reducirse empleando chapas más finas y aisladas entre si. Además la corriente produce caídas de tensión en la resistencia y reactancia del bobinado primario (impedancia de dispersión del primario Z1), por lo que V1 y E1 no son exactamente iguales y opuestas. Por lo tanto:

V1  E1  I 0 .Z1

(suma vectorial)

(1)

El arrollamiento secundario abraza también las líneas de campo del núcleo, por lo que se inducirá en él una fem E2, que será distinta de la primaria si los números de espiras son diferentes. La relación entre los números de espiras, es lo que se denomina relación de transformación. Esta relación se denota por:

k

E2 n2  E1 n 1

(2)

Si se desprecia el efecto de la corriente I0 sobre la impedancia de dispersión Z1, podemos I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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escribir para un transformador en vacío:

k

E 2 V1 n 2   E1 V2 n 1

(3)

Por ejemplo: Si el número de vueltas del arrollamiento primario n1 es 100 y del arrollamiento secundario n2 es 200 y aplicamos una tensión de 110 V en el arrollamiento primario tendremos que la tensión en el secundario será de 220 V. En el caso del ejemplo, cuando la tensión del primario es menor que en el secundario, se dice que el transformador es elevador, caso contrario se lo denomina reductor. En la practica un transformador tiene que dimensionarse para niveles de tensión especificas y este valor se denomina tensión nominal del transformador. Y se denota como 110 / 220 V.

Figura 3

Funcionamiento en carga. Si ahora conectamos una carga en los bornes secundarios, la fem E 2 producirá la circulación de una corriente I2, que se opone al efecto magnético que la produce, por ello el primario reaccionará tomando una mayor corriente de la alimentación a fin de mantener el flujo en su valor original, por lo que aparece la componente de carga del primario, la cual sumada vectorialmente a I0, da como resultado la intensidad consumida por el transformador I 1. De la misma manera que el bobinado primario poseía resistencia y reactancia, lo mismo sucede en el secundario, por lo tanto la corriente I2 produce una caída de tensión en este lado, con lo que la tensión en bornes V2 resulta menor que la fem E2. Por lo tanto:

V2  E 2  I 2 .Z 2

(suma vectorial)

(4)

Para poder aplicar la ecuación (3) a un transformador en carga debemos despreciar entonces los efectos de la impedancia de dispersión del primario Z 1 y del secundario Z2. Esto suele ser bastante aproximado ya que la suma de ambas caídas de tensión (I 1.Z1 + I2.Z2) para el estado de carga nominal esta entre el 4% y el 6% para transformadores de distribución (tensión de cortocircuito). Dado que la corriente que circula por el primario I1 de un transformador en carga es la necesaria para contrarrestar el efecto desmagnetizante (generación de un flujo contrario al principal) de la corriente del secundario I2 se debe cumplir que la relación entre estas es inversamente proporcional al numero de espiras de los arrollamientos. I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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I 2 n1 1   I1 n 2 k

(5)

Esta relación no es del todo exacta ya que en el primario deberá estar presente además la corriente de magnetización I0 necesaria para mantener el flujo de régimen en el núcleo. Por lo tanto la ecuación exacta de corrientes de un transformador es:

I 1 .n 1  I 0 .n 1  I 2 .n 2

(suma vectorial)

(6)

Pero teniendo en cuenta que I0 es muy pequeña respecto a I1, para la mayoría de los casos podemos emplear la ecuación (5).

Figura 4

Potencia eléctrica del transformador: Como sabemos la potencia eléctrica es igual al producto de la tensión por la corriente, de las ecuaciones (2) y (5) podemos escribir que:

V1 I 1  V2 I 2

(7)

Siempre recordando que despreciamos la energía necesaria para generar el flujo magnético y la de perdidas. De aquí podemos deducir que la potencia entregada por el transformador es igual a la consumida de la fuente de alimentación si se desprecian las pérdidas en el núcleo y por el calentamiento de los bobinados. Rendimiento. El rendimiento de un transformador es igual al cociente entre la potencia P2 suministrada por el secundario a la carga y la P1 potencia absorbida en el primario a la fuente de alimentación.



P2 P2  P1 P2  Po  Pcc

(8)

La potencia absorbida por el primario P1 es igual a la suma de las potencias suministrada por el secundario a la carga P2 y las potencias de perdidas de vacío (o en el hierro) P o y cortocircuito (o en el cobre) P Considerando las perdidas de un transformador debemos distinguir entre: Perdidas de vacío o perdidas en el núcleo. I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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Estas dependen del flujo que circula por el circuito magnético. Este flujo es independiente de la carga a la que este sometido el transformador por lo que estas perdidas serán siempre las mismas. Se las denomina comúnmente pérdidas en vacío por que son prácticamente las únicas que hay cuando el transformador se encuentra sin carga. Las perdidas en el hierro son de dos clases: - Perdidas por corrientes de Foucault. Las chapas que conforman el núcleo están sometidas a variaciones del flujo y esto producen corrientes en su interior. Estas se denominan corrientes de Foucault y producen calentamiento de las chapas por efecto Joule. Para disminuir estas perdidas los circuitos magnéticos se construyen por apilamientos de chapas de pequeño espesor, aisladas una de otras, si no fuese así el calentamiento del circuito magnético seria muy elevado, llevando a la destrucción del aislamiento. - Perdidas por Histéresis. Las sustancias denominadas ferromagnéticas como el hierro se imantan cuando están sometidas a un campo magnético de inducción B. La imantación adquirida es grande y dirigida en el sentido de la inducción B. Si se hace aumentar el campo, la susceptibilidad del hierro no es constante y varia con la magnitud del campo magnetizante, la imantación adquirida tiende hacia un limite para el cual el hierro se satura. Si se hace decrecer el campo, para un determinado valor del mismo no se obtiene el valor anterior de inducción.

Figura 5. Curva de Histéresis típica. Los valores de estas perdidas se obtienen en el ensayo de vacío del transformador. El diagrama de conexión necesario para la determinación de estas perdidas es el siguiente:

Figura 6 I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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El ensayo se debe realizar a valores de tensión y frecuencia nominal en los bobinados primario y secundario. Dado que el transformador esta en vacío (no tiene carga en el secundario), la única corriente que circula es (I0) la necesaria para producir el flujo magnético y, por lo tanto, la que alimenta las pérdidas en el núcleo. Por lo tanto la potencia P0 que se mide con el vatímetro son las pérdidas en el núcleo y la corriente que mide el amperímetro es la corriente de vacío I0 Este ensayo se puede realizar alimentando el bobinado de alta o de baja tensión ya que el flujo magnético será el mismo independientemente del bobinado por el cual se alimente la máquina. Perdidas en cortocircuito o en el cobre. Los bobinados primario y secundario del transformador no tienen resistencias despreciables, estas resistencias son R1 y R2 resistencias del primario y secundario respectivamente. Las

R 1 I 12 en el primario y R 2 I 22 en el secundario. 2 2 La perdida total por efecto joule será: Pcc  R 1 I 1  R 2 I 2 perdidas en estos arrollamientos son:

(9)

Para la determinación de estas perdidas se realiza el denominado ensayo en cortocircuito del transformador. El diagrama de conexionado para este ensayo es el siguiente:

Figura 7 Se debe alimentar el primario del transformador con una tensión reducida, mientras mantenemos el secundario cortocircuitado mediante un amperímetro, el valor de tensión es el suficiente como para lograr hacer circular en el circuito secundario un valor de corriente igual a la nominal de la maquina. Como la tensión es pequeña el flujo es también muy pequeño y por lo tanto, en cortocircuito las perdidas en el hierro son perfectamente despreciables. De esta manera la potencia que mide el vatímetro es prácticamente igual a las pérdidas en el cobre. Se podría medir R1 y R2 con un puente o con un ohmetro y determinar las pérdidas mediante la ecuación (9), pero el efecto del flujo magnético sobre los bobinados hace que la resistencia efectiva a 50Hz sea sustancialmente mayor (del orden de un 30%) que la que se mide con un puente, siendo por lo tanto, mayor la potencia de perdidas reales. No obstante, en el ensayo de cortocircuito se mide las resistencias de los bobinados con el objeto de referir el valor de pérdidas medidas durante el ensayo, a la temperatura de trabajo en régimen de la máquina. Como puede observarse en la ecuación (9), las perdidas en el cobre de un transformador dependen del estado de carga del mismo (varían con el cuadrado de la corriente). Distinto a las pérdidas en el núcleo que son constantes e independientes del estado de carga. Un valor particularmente importante que se determina durante el ensayo en cortocircuito es el de la tensión necesaria para que circule la corriente nominal en los bobinados, medida con el voltímetro. Esta tensión se conoce como tensión de cortocircuito y comúnmente se expresa como un porcentaje de la tensión nominal del bobinado. Los valores normales especificados por norma son: I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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Transformadores rurales

Transformadores de distribución

Todas las Pot.

4,5%

con una tolerancia de  10%

Hasta 630 kVA

4%

con una tolerancia de  10%

Más de 630 kVA

5%

con una tolerancia de  10%

La importancia de esta tensión radica en que su valor da una idea de la caída de tensión que se produce en el transformador cuando este se encuentra trabajando a plena carga (si bien no es el valor exacto ya que depende del factor de potencia de la carga). También es Muy importante en el cálculo de cortocircuito en los sistemas ya que a partir de la tensión de cortocircuito se puede calcular la impedancia interna (de dispersión) de la máquina.

Transformador trifásico. Los sistemas de distribución son en su gran mayoría trifásicos, por lo que requieren transformadores trifásicos o tres transformadores monofásicos formando un banco trifásico, siendo esta última opción muy poco usada en nuestro país, debido a su mayor costo a igualdad de potencia nominal y a su reducido beneficio técnico. Por regla general, y en su construcción más común, el núcleo del transformador trifásico está formado por tres columnas adyacentes dispuestas en un mismo plano y unidas entre sí por culatas, figura 8. Cada columna tiene un arrollamiento de alta y otro de baja tensión (primario y secundario de cada fase), formando de esta forma tres arrollamientos primarios y tres secundarios. La conexión eléctrica de estos tres arrollamientos tanto en el primario como en el secundario puede tomar la disposición estrella o triángulo, que presentan sus méritos y desventajas propias.

Figura 8

La conexión estrella es adecuada para mayores tensiones, pues debe soportar la tensión de fase y no la de línea. Brinda además la posibilidad de conectar el neutro a tierra. La conexión triángulo permite mayores corrientes nominales y ofrece otras ventajas que son I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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más difíciles de cuantificar y escapan al objetivo de este curso. Estas consideraciones hacen que casi la totalidad de los transformadores de distribución de media a baja tensión, sean del tipo triángulo - estrella, ofreciendo el neutro en el secundario para la conexión de las cargas monofásicas. La distribución de corrientes y tensiones en esta conexión se muestran en el circuito esquemático de la figura 9 donde las magnitudes de cada fase del primario son indicadas con las letras A, B y C y las del secundario con a, b y c, las tensiones y corrientes compuestas se indican con doble subíndice. A esta configuración se la designa como Dy11, D de delta (triángulo) en el primario, y por estrella en el secundario y el número 11 representa un desfasaje entre las tensiones del primario y del secundario.

figura 9 Los puntos que aparecen en la figura indican la polaridad de cada bobinado, es decir el sentido en el que estan bobinados cada uno de los arrollamientos. Si las conexiones no poseen la polaridad correcta se puede originar un cortocircuito (en el caso de bobinados en triángulo) o puede aparecer un fuerte desequilibrio de tensiones (en el caso de bobinados en estrella). En la figura 9 se muestran dos formas diferentes de conectar correctamente las polaridades de los bobinados. La capacidad en potencia aparente de los transformadores trifásicos (kVA) es tres veces la capacidad de cada fase (primario-secundario) y matemáticamente se expresa como: 3.Vf.If, donde Vf e If representan la tensión de fase y corriente de fase respectivamente.

Designación de los bornes de un transformador. Para la designación de los bornes se ha adoptado la siguiente convención: Transformadores monofásicos. Los bornes de alta tensión se designan por las letras mayúsculas U y V, mientras que para los bornes de baja tensión las letras minúsculas u y v. Transformadores trifásicos. Los bornes de alta tensión se designan por las letras mayúsculas U, V y W mientras que para los bornes de baja tensión las letras minúsculas u, v y w, siempre que los comienzos de los arrollamientos se conecten a los bornes, si por el contrario son los finales de los arrollamientos los que conducen a los bornes, estos se designan x, y y z minúsculas.

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Figura 10 El borne neutro (conexión común de las tres fases del sistema) se designa por N mayúscula para el lado de alta tensión y n minúscula para el lado de baja. En los esquemas eléctricos los transformadores se representan con el símbolo de la figura 11. (por ejemplo: transformador monofásico de 220 V / 110 V, 1000 VA, 50 Hz).

Figura 11 Tipos de ejecución y construcción. Según sea los tipos de construcción o ejecución de los transformadores estos se dividen según sea su finalidad de aplicación y potencia, en: - Pequeños transformadores. Con potencias de hasta 16 kVA. - Transformadores de red o de distribución. Con potencias de hasta unas 1600 kVA. - Grandes transformadores. Con potencias desde unos 2000 kVA (2 MVA) hasta 1000 MVA

Aspectos constructivos de transformadores de distribución Se emplean para reducir la tensión de las redes de distribución de media tensión (en nuestro país 33 kV ó 13,2 kV de tensión de línea) para abastecer directamente las redes de baja tensión ( 400/231 V). Estos transformadores de distribución constan de una cuba de chapa, dentro de la cual está inmersa en aceite aislante la parte activa (núcleo de hierro y arrollamiento), unida a la tapa de la cuba mediante tornillos. Sobre esta tapa se sujetan los aisladores pasatapa de porcelana y el recipiente de expansión del aceite, (ver figura 12). La función del aceite es doble, por un lado aislar las partes activas de la cuba y por el otro como medio refrigerante. Ambas funciones las cumple muy bien un aceite mineral conocido como aceite para transformadores, el cual es combustible por lo cual se deben tomar las precauciones de seguridad necesarias. Por lo general se dispone en el lugar de instalación de una fosa capaz de contener todo el líquido del transformador para prevenir que este se propague en caso de incendio. I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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figura 12

El transformador sometido a carga desprende calor, el cual se transmite al medio mediante las paredes de la cuba, por ello la misma se construye para que tenga la mayor superficie posible.

Figura 13

Podemos incluir en este grupo de transformadores los de aislación seca, en estos el aire circundante de los bobinados es el encargado de la refrigeración de los mismos, como el aire no es tan buen aislante como el aceite, las distancias entre los bobinados son mayores que en los anteriores. Se suelen construir también transformadores en seco en los que los arrollamientos de alta y baja tensión se encuentran totalmente incluidos en resina colada o del tipo epoxi. En la figura 13 se muestra uno de estos transformadores.

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Calentamiento de un transformador y su relación con la vida útil. Las pérdidas en el cobre y en el hierro (ya mencionadas) hacen que, durante su funcionamiento, se calienten los bobinados y el núcleo de los transformadores. Este calentamiento hace aumentar la temperatura de la máquina hasta alcanzar el equilibrio en el que el calor producido es completamente disipado al medio circundante. En este punto se alcanza la temperatura de funcionamiento para ese estado de carga. El límite máximo de carga que puede entregar el transformador será aquel en el cual la temperatura final de funcionamiento sea la máxima soportada por el aislante. Esto es así debido a que el compuesto empleado como aislante de los bobinados es el más débil térmicamente hablando ya que soporta temperaturas de hasta 120°C a 160°C dependiendo del tipo de aislante. Mientras que el cobre y el hierro soportan temperaturas muy superiores. El calentamiento de un transformador desde que se conecta hasta que llega a la temperatura de régimen se produce en forma exponencial. Donde la temperatura final depende de la potencia y constantes físicas del equipo. El valor de temperatura final es elevación de temperatura por sobre el ambiente, si existe precarga será la sobre-elevación por encima de la temperatura que había alcanzado previamente. La temperatura máxima admisible es función del tipo de aislante (del bobinado y aceite). Para transformadores en aceite tipo ONAN la elevación de temperatura sobre la ambiente admisible para los bobinados es de 65°C (promedio). Temperaturas superiores a estas deterioran el aislante muy rapidamente disminuyendo su vida útil. La vida útil de la máquina está altamente condicionada al estado del material aislante, por lo que será función de la temperatura de trabajo y del tiempo en servicio. Esto quiere decir que la vida esperada de un transformador está calculada para un régimen de funcionamiento continuo a una temperatura igual a la admisible del aislante (65°C), lo que equivale a mantener la carga nominal y la temperatura ambiente de diseño continuamente. Evidentemente estas condiciones no son reales ya que en general el régimen de carga es variable, por lo tanto la vida útil real dependerá del régimen de carga al que se somete el transformador, teniendo mayor expectativa de vida si este régimen de funcionamiento está por debajo del nominal y menor vida útil si la máquina se carga en exceso. Para determinar el consumo de vida útil por día de trabajo en base al régimen de carga se puede emplear el método de Montsinger que considera que la vida útil se disminuye a la mitad con el aumento de temperatura en 6°C sobre la admisible y se duplica con la disminución en el mismo valor. La protección esta estrechamente ligada con el consumo de vida, ya que deberá permitir el ritmo de carga preestablecido, teniendo en cuenta lo que ganamos y perdemos en vida con las subcargas y sobrecargas respectivamente. En la Figura 14 se muestra un ejemplo de carga de un transformador, de la cual se podría determinar mediante el criterio de Montsinger el consumo de vida durante este ciclo. Si este ciclo fuera durante un día, se podría determinar la vida útil del transformador siempre que el consumo se mantenga de esta forma durante todos los días.

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Figura 14

Análisis de fallas Las fallas pueden ser propias de la máquina (internas) o pueden ocurrir fallas en el sistema alimentado por el transformador (externas). Fallas externas: La falla externa puede tener orígenes muy variados, incidiendo en el transformador desde la alimentación o desde la carga, lo que sí es de fundamental importancia es que el esquema de protección debe evitar que esa falla deteriore al equipo, debiendo además tal protección brindar una indicación inequívoca de su procedencia, haciendo de tal manera innecesaria la revisión profunda del elemento frente a una falla no incorporada a la zona de protección bajo estudio. Fallas internas: Las causas que inician la falla interna pueden ser: proceso de envejecimiento, defecto no detectado del material empleado, deficiencias de mano de obra, incorrecta aplicación, mal mantenimiento, sobrecargas anormales, fallas externas o una combinación de todas o alguna de ellas. La falla interna más usual es un defecto de la aislación entre dos espiras, que es del tipo progresivo pudiendo desarrollarse muy lentamente (tardando hasta algunos meses en manifestarse), colocando más y más espiras en cortocircuito, lo que incrementa la corriente de falla, pudiendo tener valores comprendidos entre una tan pequeña como 1,5 veces la corriente nominal o tan alta como la de falla línea tierra o la mayor del sistema en ese punto, dependiendo del lugar donde ésta se ubique. Además este desperfecto, implica la aparición de un arco, el que disipa energía en el medio, que en la gran mayoría de los casos es aceite. Estos arcos producen una descomposición del aceite que los rodea, en gases combustibles y no condensables, lo que se propaga a todo el cuerpo del transformador. Si la potencia y la energía de arco son suficientes, puede llegarse a la explosión violenta de la cuba del transformador con emisión de aceite encendido. Esto puede ocurrir si la protección no se selecciona adecuadamente. Por la presencia de tan altos valores de energía, debe dimensionarse al transformador para que soporte esa presión o lo que es mas aconsejable, debe tratarse de disminuir la corriente de I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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falla, la que de cierta manera está relacionada con la explosión del transformador. Las posibles soluciones son, instalar equipos que limiten la corriente de falla, como ser reactancias o conectar algún dispositivo interruptor que evite la presencia de energías de falla, que hagan peligrar la integridad del transformador. La primera solución no es conveniente, ya que trae aparejada una caída de tensión excesiva con el aumento de la carga y además incrementa las pérdidas en el sistema. En cambio la segunda resulta mas adecuada desde el punto de vista técnico económico. Siendo el fusible de alta capacidad de ruptura el dispositivo que reúne las condiciones enumeradas, pudiendo obtener una reducción notable de la energía de cortocircuito, o sea disminuye la solicitación térmica del sistema y además corta a la corriente de falla, antes de que alcance su pico con lo cual los esfuerzos dinámicos son ampliamente disminuidos, ya que debe recordarse que ellos son proporcionales al cuadrado del valor de cresta de la corriente. Esto último es sobretodo deseable para la protección de transformadores pues impide la distorsión y el desplazamiento de las bobinas entre si. Por otra parte este dispositivo puede proteger al transformador frente a algunas fallas ocurridas en su lado de carga. Los dispositivos normales conectados en el primario, por si solos no son capaces de brindar protección completa al transformador, ya que su campo de operación es ante cortocircuitos o sobrecargas bastante rigurosas. Esfuerzos Electrodinámicos La corriente de carga crea en los bobinados del transformador un flujo magnético que intercepta las espiras y penetra en los bobinados en dirección axial y radial. Este flujo se conoce como flujo disperso. El efecto conjunto de este flujo y la corriente que circula por los bobinados, los somete a esfuerzos mecánicos proporcionales al producto de la corriente y la densidad de flujo. Simplificando el análisis se llega a que estos esfuerzos son proporcionales al cuadrado de la corriente. La máxima fuerza aparece en el valor pico de la corriente y el máximo valor de corriente se produce en un cortocircuito. Si tenemos en cuenta un transformador rural o de distribución que tiene una tensión de cortocircuito de 4%, presenta una corriente de cortocircuito máxima de 25 veces la corriente nominal y por lo tanto, los esfuerzos electrodinámicos serán 625 veces mayores que los de plana carga.

Figura 15 Usualmente estos esfuerzos se dividen en sus componentes radial y axial. La habilidad de los I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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bobinados de soportar estas fuerzas, es también dividido en radial y axial. Las fuerzas radiales actúan comprimiendo el bobinado interno (baja tensión) contra el núcleo y elongando el bobinado externo (alta tensión), produciendo esfuerzos de tracción en los conductores de este último arrollamiento. Estas fuerzas radiales son máximas en la altura media del bobinado. Si el centro eléctrico de los bobinados de alta y de baja está exactamente balanceado, esta fuerza actúa radialmente en un plano horizontal; si, por el contrario, los centros eléctricos no están alineados, aparece una componente en la fuerza de repulsión entre los centros eléctricos que tiende a mover un bobinado hacia arriba y el otro hacia abajo; figura 15. Las fuerzas axiales comprimen el bobinado axialmente y llegan a su máxima presión en la altura media del mismo.

Límites de sobrecarga y cortocircuito para transformadores Para dar una pauta sobre el comportamiento que deben tener los transformadores ante cortocircuitos en bornes, las Normas fijan los tiempos máximos admisibles que deben ser soportados desde el punto de vista térmico y electrodinámico. En general un transformador de distribución debe soportar un cortocircuito en bornes durante un tiempo máximo de 2 s. Para tener una idea más general de los tiempos de sobrecarga que puede soportar un transformador, nos podemos remitir a la Norma IEEE C57-109. Esta Norma indica los niveles de sobrecarga admisibles desde el punto de vista térmico y electrodinámico, para transformadores inmersos en aceite para todas las potencias empleadas en distribución y en transmisión. En la figura 16 se muestran estos niveles de sobrecarga mediante la curva tiempo-corriente que establece el límite admisible para transformadores de hasta 500 kVA. Como se puede observar, da los tiempos que soporta la máquina con corrientes desde la máxima de cortocircuito en bornes hasta dos veces la corriente nominal. La línea de puntos en la parte inferior de la curva cubre los valores de corriente para transformadores con tensión de cortocircuito inferior al 4% (Iccmax = 25In) hasta 2,5% (Iccmax = 40In); estos valores no son comunes en nuestro país. Para transformadores de potencias mayores esta Norma da otras curvas similares. Por las características de los Figura 16 transformadores que se comercializan en nuestro País, podemos afirmar que responden adecuadamente a esta curva tiempo corriente admisible de sobrecarga. En el caso de la Norma IRAM 2112, al igual que la IEC 60076-5, fijan solamente un tiempo máximo de 2 s que debe ser soportado por el transformador en cortocircuito. Además la Guía IEC 60354 que da los criterios para los valores de carga de transformadores inmersos en aceite, puede ser usada para establecer los límites de sobrecargas de larga I.P.S.E.P. - Ruta Nacional 36 Km. 601. - (5800) Río Cuarto, Córdoba, Arg. Tel./Fax: +54-3584676171 E-Mail: [email protected]

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duración admisibles. Para indicar estos límites se emplean curvas que indican el tiempo admisible para cada nivel de sobrecarga admisible en función de la carga previa. En la Figura 17 se muestran estas curvas para cada temperatura ambiente.

Figura 17

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