MODALIDAD

U. N. C. F. C. E. F. y N.Prctico Calentamiento

MQUINAS ELCTRICAS ii

TRABAJO PRCTICO

CALENTAMIENTO EN TRANSFORMADORES

INDICE DE TEMAS

Calentamiento3Influencia de la temperatura sobre aislante. Clases de aislamientos..3Transmisin del calor8Curvas de calentamiento y enfriamiento.....11Ley de Ohm trmica. Constante de tiempo....14Distintas formas de refrigeracin en transformadores..16Clases de servicio normalizados..19Determinacin de la temperatura en distintas partes del transformador...20Ensayos normalizados de calentamiento. Mtodo de oposicin21INTRODUCCION.

CALENTAMIENTO.

Durante el funcionamiento de la mquina se produce un consumo de potencia a causa de las prdidas en el hierro y en el cobre, lo que genera un aumento de temperatura en el interior del ncleo, de los devanados y en el medio refrigerante, sobre la temperatura ambiente.

As, ese calor generado por las prdidas se transmitir al medio ambiente a travs del refrigerante hasta alcanzar el equilibrio trmico 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 rgimen o de servicio que se mantiene en ese valor mientras no cambien las condiciones de ventilacin ni el rgimen de funcionamiento.

Segn la Ley de Joule, la cantidad de calor por unidad de tiempo q generada por la potencia total perdida en una mquina elctrica resulta:

(ec. 1)siendo:

En una mquina existen diversos rganos construidos en diferentes materiales, lo que indicara realizar un estudio termodinmico particular. No obstante, es preferible tratar a la mquina como si fuese un cuerpo homogneo para su estudio, construido en un solo material de caractersticas hipotticas resultantes de un promedio de las caractersticas de todos los componentes. En base a esa hiptesis se hace el estudio generalizado.Si a la temperatura en la parte del cuerpo homogneo en la que se genera la cantidad de calor q la designamos , a la de la superficie externa , y a la temperatura del aire o del medio en el que est sumergido dicho cuerpo , se puede establecer lo siguiente:

(ec. 2)A esta diferencia, la de temperatura entre el cuerpo homogneo y el exterior se la denomina sobreelevacin absoluta de temperatura (ec. 2a).En el segundo miembro de la (ec. 2) el primer trmino indica la diferencia de temperaturas entre el interior del cuerpo y su superficie exterior, siendo esto dependiente de la conductividad trmica de los materiales que encuentra el flujo calrico hacia el exterior. El segundo trmino representa la diferencia de temperaturas entre la superficie emisora y el medio ambiente, que es funcin del coeficiente de emisin entre el cuerpo y el medio. Este coeficiente de emisin es funcin de la velocidad que tenga el fluido refrigerante.

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE AISLANTES. CLASES DE AISLAMIENTOS.Los materiales aislantes utilizados en la construccin de la mquina sufren los efectos de la temperatura a lo largo del tiempo, los que se manifiestan en la disminucin de las propiedades aislantes y dielctricas. La temperatura de rgimen de una mquina est ntimamente asociada con su esperanza de vida, debido a que el deterioro del aislamiento con que est construida la mquina es una funcin tanto del tiempo como de la temperatura. Ese deterioro es un fenmeno qumico que comprende una lenta oxidacin y un endurecimiento que vuelve quebradizo al material y que conducen a la prdida de la durabilidad mecnica y de la resistencia elctrica. En lneas generales, el aislante debe cumplir con dos condiciones: Su naturaleza y espesor deben ser tales que soporten las tensiones elctricas dentro de un margen de seguridad. Soportar la mxima temperatura de servicio sin disminuir sus cualidades dielctricas.

Empricamente se demuestra que la vida de un aislante es funcin de la temperatura de trabajo. Cuanto mayor es la temperatura , ms tendencia tiene el aislante a secarse, endurecerse y volverse quebradizo, lo que ocasiona la prdida de las cualidades dielctricas. A la temperatura mxima que pueden soportar los aislantes sin daarse se la llama temperatura lmite . Se debe cumplir y verificar a travs de ensayo de calentamiento, que:

(ec. 3)Los aislantes slidos ms utilizados en transformadores estn formados por estructuras laminadas de papel, prespan, telas barnizadas y varias clases de papel. Los aislantes lquidos tales como el aceite mineral y lquidos sintticos son muy utilizados como aislantes y refrigerantes al mismo tiempo. La importancia de estos es que condicionan las caractersticas de otros aislantes utilizados y su rigidez dielctrica es clave en el diseo. El aceite utilizado como aislante, presenta mayor envejecimiento por temperatura y tiempo cuando se encuentra expuesto al aire. Esto provoca la formacin 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 expansin, una capa de gas inerte, o ir en cubas estancas.

Segn la norma IRAM 2008, existen estos tipos de aislantes:

Clase O: algodn, seda, papel y materiales orgnicos similares, sin impregnacin y que no estn sumergidas en aceite. Temperatura mxima de utilizacin: 90 C. Clase A: algodn, seda, papel y materiales orgnicos similares, impregnadas o sumergidas en aceite y las sustancias denominadas esmaltes. Temperatura mxima de utilizacin: 105 C. Clase B: mica, amianto y materiales inorgnicos anlogos mezclados con un aglomerante. Temperatura mxima de utilizacin: 130 C. Clase C: mica (sin aglomerante), porcelana, vidrio, cuarzo y otros materiales similares. Temperatura mxima de utilizacin: por encima de 180 C. Clase H: Este aislamiento consiste de materiales tales como el silicn, elastmetros 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 mxima de utilizacin: 180 C.

La combinacin del aceite con aislantes slidos presenta una mayor rigidez dielctrica (Fig. 4-6). Estos aislantes slidos se utilizan en los siguientes lugares:

Aislamiento entre espiras. Aislamiento entre capas.

Aislamiento entre bobinas.

Aislamiento entre arrollamientos.

Cerquillos.

TRANSMISIN DEL CALOR.

El calor desarrollado por las prdidas en los transformadores se transmite de tres maneras diferentes: por conduccin, radiacin y conveccin.Transmisin por conduccin.

Se da dentro de la masa slida o lquida, o entre dos sustancias de igual naturaleza. La cantidad de calor as transmitida es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre la parte ms caliente y la ms fra y a la superficie de contacto perpendicular a la direccin de conduccin e inversamente proporcional a la resistividad trmica de la sustancia. La resistividad trmica 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 travs del cubo (Tabla 1: Resistividad trmica del agua, aire y otros materiales). Esto se puede expresar de la siguiente manera:

siendo:

H = potencia perdida en (Watts) que pasa a travs del material.

A = superficie en (cm2).

L = longitud de pasaje del flujo calorfico.

= diferencia de temperaturas en C.

R = resistividad trmica.MaterialResistividad trmica (C/W/cm2)

Agua178

Aire4,35

Aceite de transformadores625

Cobre puro0,227

Cobre industrial0,287

Hierro forjado1,27

Hierro fundido2,5

Acero (chapas laminadas en sentido longitudinal para ncleo)6,1

Acero (chapas laminadas en sentido transversal para ncleo)64

Aluminio0,76

Transmisin por conveccin.

La transmisin por conveccin se da entre un slido y un fluido en movimiento. La superficie slida transmite el calor a un medio refrigerante haciendo que la temperatura de ste aumente y provoque la disminucin de su densidad. El fluido con menor densidad asciende y es reemplazado por otro ms pesado (por estar a menor temperatura), generndose un proceso continuo de circulacin. El calor transmitido por esta forma depende tambin de la superficie de contacto. Empricamente, el calor transmitido por conveccin en funcin de la elevacin de la temperatura se puede expresar de la siguiente manera:

donde:

Estos dos valores de n (que depende de la forma y posicin 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 C. Para el caso de superficies onduladas, que ofrecen una resistencia apreciable a la circulacin del aire, se aplica un factor de correccin (coeficiente de rozamiento del aire) que depende del ancho y de la profundidad de los espacios entre las ondulaciones. Tambin se observa que la prdida de calor vara con la raz cuadrada de la densidad relativa del aire y se obtiene la expresin siguiente:

La transmisin de calor por conveccin es ms 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 disipacin es menor debido a que el aire debe circular a lo largo de la superficie antes de elevarse.

Transmisin por radiacin.

Se produce debido a que todo cuerpo que se encuentre a una temperatura superior a la del ambiente que lo rodea irradia energa calorfica en forma de ondas. A medida que aumenta la temperatura, el punto de mxima irradiacin de energa se corre en el sentido de las longitudes de onda decrecientes. La superficie efectiva de radiacin es siempre igual a la envolvente exterior del cuerpo, cualquiera que fuese su forma, cuando sta es de color negro mate. En caso de no serlo, el valor del rea de esta superficie se debe afectar por un factor de irradiacin o coeficiente emisor del calor del cuerpo que depende del color del material y que vara entre 0,1 y 0,95.La transmisin de calor por radiacin se explica mediante la ley de Stefan-Boltzman:

donde:

potencia irradiada (W/cm2)

factor de irradiacin (0,1 0,95)

=temperatura absoluta del cuerpo caliente (K).

=temperatura absoluta del aire ambiente (K).

CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO.Calentamiento.

Para obtener las curvas representativas de calentamiento y enfriamiento, se debern hallar las ecuaciones que representen la sobreelevacin de temperatura en funcin del tiempo. Para encontrar estas funciones, se debe partir de una ecuacin de equilibrio termodinmico, la cual se define en funcin de las consideraciones que se detallan a continuacin.

Si se toma un instante de tiempo cualquiera comprendido entre la puesta en marcha y el momento en que se alcanza la temperatura de rgimen, y se considera un intervalo de tiempo dt, las prdidas habrn entregado una cantidad de calor dQ = q . dt de donde una parte se utiliza para aumentar la temperatura del cuerpo homogneo en una cantidad d y otra parte se irradia al medio ms fro. En base a esto se puede establecer la ecuacin diferencial de equilibrio termodinmico:

(ec. 8)q = calor aportado por prdidas en la unidad de tiempo.

dt = intervalo de tiempo considerado.

G = peso total del cuerpo homogneo.

c = calor especfico del cuerpo homogneo.

= incremento de temperatura en el intervalo.

S = superficie emisora total del cuerpo homogneo.

H = coeficiente de emisin del cuerpo homogneo.

= temperatura durante el intervalo dt. (Sobreelevacin).Al llegar al equilibrio, todo el calor producido por prdidas ser evacuado, y por lo tanto = 0 lo que permite expresar la ecuacin 8 como sigue:

(ec. 9)

siendo la sobreelevacin mxima de temperatura que vale:

(ec. 10)Como se quiere encontrar la funcin , se procede a resolver la ecuacin 8, en la que se dividen ambos miembros por el producto S.h:

(ec. 11) designando como constante de tiempo al valor:

(ec. 12)que reemplazado (ec. 10) y (ec. 12) en la (ec. 11) queda:

Para determinar la constante C partimos de las condiciones iniciales para cuando t=0 y la sobreelevacin de temperaturas tambin es nula:

(ec. 13)Esta ecuacin representa la variacin de la sobreelevacin de temperaturas en funcin del tiempo transcurrido desde la puesta en marcha de la mquina. Su representacin grfica es la siguiente:

Aqu se observa cmo la sobreelevacin crece en forma asinttica al valor de sobreelevacin mxima que se dara para un tiempo infinito. Adems, segn la ecuacin 2a, la temperatura a la que se encuentra el cuerpo homogneo es igual a la suma de la sobreelevacin ms la temperatura ambiente:

(ec. 14)siendo la temperatura ambiente fijada por norma IRAM en 40 C.Enfriamiento.

A continuacin se procede a estudiar el enfriamiento del cuerpo homogneo. Para este caso, se admite que el mismo se encuentra a una temperatura mxima y en ese momento deja de funcionar, desapareciendo en consecuencia las prdidas y por lo tanto la fuente de calor. Se hace un planteo anlogo al caso de calentamiento, considerando q = 0. As, la ecuacin 8 queda:

Para determinar la constante C partimos de las condiciones iniciales para cuando t=0 y la sobreelevacin de temperaturas es mxima:

Esta es la ecuacin que representa el enfriamiento, y su grfica es la siguiente:

En el grfico se observa cmo la curva de sobreelevacin se hace asinttica con el valor de la temperatura del aire.

CONSTANTE DE TIEMPO.

Se puede definir a la constante de tiempo como el tiempo que sera necesario para que la temperatura variase desde el valor inicial al valor de temperatura mxima, si se mantuviese el ritmo inicial de aumento hasta alcanzar la temperatura final y si su disipacin trmica fuese nula. La evacuacin trmica es proporcional al salto de temperatura entre las superficies de la mquina y el medio ambiente, por lo tanto, mientras ms funciona la mquina, ms eleva su temperatura y ms calor emite en la unidad de tiempo. Esto sucede hasta que se alcanza la temperatura de rgimen en donde la temperatura del cuerpo ya no se eleva ms.Para mostrar este sentido fsico que tiene la constante de tiempo, se parte de suponer que el cuerpo homogneo est impedido de emitir calor. As, todo el calor aportado por las prdidas es empleado en aumentar la temperatura. Por esto, de la ecuacin 8, partimos teniendo en cuenta el primer del trmino del segundo miembro solamente:

integrando, se obtiene:

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

y segn la ecuacin 9,

(ec. 15)

para el valor de temperatura , la expresin resulta:

de donde se deduce que la constante de tiempo es el tiempo que tardara en alcanzar la temperatura mxima, si su disipacin trmica fuese nula. Por otro lugar, como y reemplazando este valor en la ecuacin 15:

Esta expresin permite determinar la constante de tiempo, teniendo en cuenta que:

T = constante de tiempo en (seg).

G = peso en (kg).

c = calor especfico del medio en

q = calor de las prdidas en

= sobreelevacin mxima en (C).DISTINTOS TIPOS DE REFRIGERACIN EN TRANSFORMADORES. Transformadores sumergidos en aceite con refrigeracin natural:

Como es necesaria una gran superficie para lograr una mejor disipacin 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 potencias superiores a 25 kVA, en los cuales el tamao de la cuba sera demasiado grande y antieconmico. Para solucionar esto y poder agrandar el tamao de la superficie de la cuba sin que se vare su volumen, se emplea chapa ondulada en la construccin. As para un mismo volumen la superficie es mayor, aunque la disipacin de calor no aumenta en la misma proporcin que el aumento de superficie. De ser necesaria una mayor superficie, se emplean tubos metlicos exteriores o conjuntos de tubos adosados a las paredes de la cuba, pudiendo agregarse tambin radiadores.

Transformadores sumergidos en aceite con refrigeracin por agua:

En mquinas muy grandes en los que resultara muy costo el uso de radiadores para refrigeracin natural se recurre al uso de agua circulando a travs de serpentinas de cobre sumergidas dentro del mismo aceite en el que se encuentra el transformador, siendo el tanque de paredes lisas. Este mtodo tambin presenta gran seguridad ya que se han presentado muy pocas fallas por perforacin de los tubos. No obstante esto es una limitacin para su uso, ya que por temor a que el agua se mezcle con el aceite por alguna falla, se prefiere refrigeracin natural a pesar de ser ms costosa.

Transformadores sumergidos en aceite con refrigeracin 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 travs de refrigeradores en agua. En cambio, en los del segundo grupo, el aceite circula a travs de refrigeradores en aire. En ambos casos el aceite puede o no ser proyectado contra las bobinas.

Cuando el aceite es proyectado contra las bobinas por medio de una bomba, la refrigeracin se llama de corriente de aceite dirigida. Si el aceite no se proyecta contra las bobinas, la refrigeracin 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 refrigeracin forzada por aire:

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

Transformadores de tipo seco con refrigeracin natural y forzada:

Estos pueden llegar a ser transformadores de hasta 15000 kVA. Para forzar la refrigeracin, se colocan ventiladores debajo de los bobinados y del ncleo lo que acelera la circulacin del aire a travs de ellos.

Significado de la sigla, constituida por 2 4 letras, que define el modo de refrigeracin de un transformador sumergido (Por ejemplo, Transformador 132/66 kV de 16 kVA, ONAN)

De acuerdo con la norma IEC 60076-2, pgina 8:

* Primera Letra: Fluido de refrigeracin interna en contacto con los bobinados.O = hidrocarburo o lquido aislante de sntesis de punto de ignicin 300CK = lquido aislante con punto de ignicin> 300CL = lquido aislante con punto de ignicin no mensurable

* Segunda Letra: Modo de circulacin del fluido de refrigeracin interno.N = circulacin natural por termosifn a travs del sistema de refrigeracin y de los bobinadosF = circulacin forzada a travs del sistema de refrigeracin, circulacin por termosifn en los bobinadosD = circulacin forzada a travs del sistema de refrigeracin y dirigida del sistema de refrigeracin hasta los bobinados principales por lo mnimo

*Tercera Letra: Fluido de refrigeracin externo.A = aireW = agua

* Cuarta Letra: Modo de circulacin del fluido de refrigeracin externo.N = conveccin naturalF = circulacin forzada (ventiladores, bombas).

TIPOS DE SERVICIO NORMALIZADOS.Una mquina elctrica puede ser usada de diversas formas, y de acuerdo a ello ser su tipo de servicio, o clase de servicio. Las normas IRAM determinan tres tipos segn las siguientes definiciones: -Servicio permanente: es el caracterizado por el funcionamiento ininterrumpido de la mquina a rgimen nominal, durante tiempo ilimitado.-Servicio temporario: es el caracterizado por el funcionamiento de la mquina a rgimen nominal durante un lapso determinado y de manera que en el perodo de reposo, su temperatura desciende hasta la del medio ambiente. -Servicio intermitente: es el caracterizado por el funcionamiento de la mquina a rgimen nominal durante un lapso determinado seguido de un lapso de reposo, tambin 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 mquinas segn su clase de servicio, agregaremos un ejemplo que nos permite apreciar las diferencias ms notables enfocadas desde el punto de vista del calentamiento. Para ello se presentan las curvas de calentamiento de una misma mquina, trabajando en las tres clases de servicio (Fig. 7).

En servicio permanente, la sobreelevacin de la temperatura alcanza el valor , bajo el cual deber estar en condiciones de funcionar indefinidamente. la misma mquina con servicio temporario tiene un perodo 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 prcticamente la del ambiente. En el servicio intermitente, al finalizar los perodos de trabajo T, la mquina no alcanza la temperatura de partida del ciclo, lo que da lugar a que se produzca un paulatino aumento hasta alcanzar el valor final .

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, ncleos y aceite (o piraleno).

Para un funcionamiento del transformador, en cualquier parte citada, la temperatura no ha de sobrepasar los lmites 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, estar mal diseado; igual sucedera en el caso inverso.

Los mtodos de medicin de temperatura se resumen a tres: a) Mtodo por termmetros.

b) Mtodo por variacin de resistencia.

c) Mtodo por indicadores internos de temperatura. 1 - Mtodo por termmetros.

Este mtodo consiste en medir la temperatura por medio de termmetros aplicados sobre el aceite y sobre el ncleo.

Los termmetros suelen ser de mercurio o de alcohol, con escalas diferentes segn se trate de medir la temperatura ambiente (ej.: O - 50 C) o la temperatura del fluido refrigerante (ej.: O - 140 C).

Es importante asegurar un buen contacto trmico entre el termmetro y la parte a medir, para lo cual se utilizan papeles de aluminio o estao, en el caso de mediciones de temperaturas de la cuba O radiadores, o bien, directamente para el medio refrigerante.

En la medicin de temperaturas ambiente se suelen introducir los termmetros en pequeos recipientes de aceite, asegurndose as un valor ms exacto. 2 - Mtodo por variacin de resistencia

Este mtodo consiste en determinar el calentamiento de los devanados a partir del aumento de su resistencia desde reposo a funcionamiento en carga.

En la prctica, se utiliza para el cobre la frmula:

Donde:

R2 = resistencia del devanado en caliente ().

R1 = resistencia del devanado a la temperatura en fro ().

= temperatura del devanado en caliente (C).

= temperatura ambiente en fro (C).Este mtodo es mucho ms preciso que el de termmetros, en la medicin de temperaturas en los devanados.3 Mtodo por indicadores internos de temperatura.

Los indicadores internos son los termmetros de resistencia y pares termoelctricos que se introducen en el transformador durante su construccin, en puntos que son inaccesibles durante su funcionamiento.

El termmetro elctrico de resistencia se basa en el aumento de resistencia de un fino hilo de cobre o nquel, cuando aumenta la temperatura donde est alojado.

El par termoelctrico se fundamenta en el efecto Seebeck, consistente en la produccin de una f. e. m. (proporcional a la temperatura) cuando se calienta la unin de dos metales diferentes (ej.: cobre-constantn, hierro-constantn).

Este mtodo no suele ser muy utilizado en los transformadores, y en todo caso puede ser de aplicacin en diseos o en algn caso especial.

Ensayos de calentamiento.La representacin de la temperatura en funcin del tiempo para un transformador de servicio continuo, viene dado por una funcin exponencial como se muestra en la siguiente figura.

El ensayo de calentamiento se limita a obtener los puntos de dicha grfica, 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 mquinas de gran potencia, siendo imposibles de realizarlos. Por esto se justifica el empleo de mtodos indirectos como son:

Ensayo de cortocircuito. Ensayo de oposicin.

En ambos tipos de ensayo, el tiempo de duracin se toma hasta alcanzar el equilibrio trmico.

a- Ensayo de cortocircuito.Una vez conocidas las prdidas en el hierro por ensayo de vaco y las prdidas en el cobre por ensayo de cortocircuito, se suman ambas y se obtienen las prdidas totales en el transformador.

Se realiza el ensayo en cortocircuito del transformador con la condicin de que la potencia activa consumida durante el proceso del ensayo coincida con las prdidas totales, consiguindose con una corriente I1 algo superior a la nominal.

La duracin del ensayo ser 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 medir por un termmetro sumergido en aceite en la parte superior de la cuba.

A continuacin se reduce la tensin de cortocircuito, hasta que circula la corriente nominal dejndose el tiempo necesario para que se estabilice de nuevo la temperatura del aceite, que ser inferior a la anterior. De esta forma circular la corriente de trabajo por los devanados y, por tanto, darn lugar a un calentamiento similar al de funcionamiento normal, pudindose deducir su temperatura final, para lo cual ser necesario desconectar el transformador de red y medir rpidamente la resistencia de sus devanados (en caliente).

,

l ~ I J

11

I

;

.

I

f

I I

J

I I

b- Ensayo en oposicin (mtodo de recuperacin).

Son muy adecuados en el caso de disponerse de dos transformadores iguales, Cosa muy frecuente en los Laboratorios de las Escuelas y en las fbricas dedicadas a su construccin, 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 idnticos (TI y T2) en conexin tringulo-estrella, en el que se observa la conexin en paralelo de los devanados de B.T., alimentados a su tensin y frecuencia nominales; los devanados de A.T. se conectan entre s en oposicin, y se unen en serie a travs del secundario de un transformador auxiliar.

El transformador auxiliar produce una tensin (~ 2 ucc), que dar lugar al paso de la corriente nominal, sealada en el esquema por las flechas y ampermetros. Para conseguir ajustar el valor de la corriente, es aconsejable que el transformador auxiliar sea del tipo autotransformador. Tambin pueden utilizarse como transformadores auxiliares, transformadores trifsicos de regulacin continua.

Este mtodo presenta la ventaja inherente a los mtodos de recuperacin de energa, de forma que la red solamente ha de suministrar las prdidas de potencia totales de los dos transformadores, pudindose utilizar incluso en los grandes transformadores.

Una variante del esquema anterior, lo ofrece el representado en la figura, que aprovecha las tomas de regulacin de un transformador para conseguir la circulacin por los devanados de la corriente nominal. Actualmente los transformadores de potencia se construyen con tomas de regulacin, por lo que este mtodo no presenta dificultades.

Ensayos de aislamiento.La medida de aislamiento consiste en verificar el total aislamiento de los circuitos elctricos del transformador entre s, y entre stos y las partes metlicas 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, adems de poner en peligro a las personas que estn cerca de stos. Para ello se utiliza un aparato de medida llamado medidor de aislamiento o meghmetro.

El ensayo consiste en medir entre masas y los bobinados una tensin entre 500 y 1 000 voltios en corriente continua suministrada por el medidor de aislamiento (megger).

Para que la resistencia de aislamiento cumpla los lmites establecidos por el Comit Electrotcnico Internacional, el valor mnimo ser:

Rais = U . 1000

Donde:

Rais= resistencia de aislamiento en Mcon un mnimo de 250000 M.U = tensin ms elevada de la mquina en voltios.

Ensayos dielctricos.Tienen por misin el comprobar la resistencia de los aislantes a su perforacin, al ser sometidos a una tensin superior a la nominal.

A diferencia del ensayo de aislamiento, en el ensayo de rigidez dielctrica, la tensin debe ser de frecuencia industrial (50 Hz) y de forma prcticamente senoidal.

Es aconsejable realizar este ensayo a la temperatura de rgimen, por disminuir las propiedades dielctricas de los materiales en funcin del incremento de temperatura.

En los ensayos de rigidez dielctrica, la tensin a aplicar y su duracin vienen dictadas por las normas de cada pas, 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 har una sola vez a las tensiones de prueba indicadas por las normas.

Los ensayos de rigidez dielctrica son: -Entre conductores y masa.

-Entre conductores (sobretensin). Por la importancia que adquiere el ensayo de rigidez dielctrica del aceite, se explicar a continuacin de los anteriores.

a) Ensayo de rigidez dielctrica entre conductores y masa.

Consiste en aplicar la tensin 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 tensin no superior a la mitad de la plena tensin de ensayo, aumentndose en forma continua, y siendo como mnimo diez segundos el tiempo para pasar desde la mitad a la plena tensin. Si el transformador ha sido rebobinado totalmente, se ensayar a la plena tensin especificada para los transformadores nuevos.

En la tabla se indican las tensiones de prueba del ensayo, segn normas internacionales.

b) Ensayo de rigidez dielctrica del aceite.

La rigidez dielctrica del aceite, y con ella el grado de aislamiento de un transformador, vara fuertemente en funcin del contenido de agua. A ttulo orientativo, se puede decir que un aceite conteniendo 60 p. p. m. (0,6 ml/l) de agua tiene una rigidez dielctrica de 50 kV/cm y sta aumenta a 230 kV/cm si el contenido de agua se reduce a 10 p. p. m. (0,1 ml/l).

La primera precaucin a tomar, antes de realizar el ensayo, es asegurarse que el recipiente en el que se va a recoger la muestra est limpio y seco. Se emplearn recipientes de vidrio con tapn del mismo material, y si no es posible, con tapn de corcho.

El local del ensayo debe ser seco y su temperatura comprendida entre 20 y 30 C. La temperatura del aceite estar comprendida entre 20 y 30C.

Se limpiar y secar la cubeta donde se va a efectuar el ensayo, evitando cualquier residuo metlico o carbonoso.

Una vez la cubeta en condiciones, se llenar 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, dejndose reposar durante diez minutos. A continuacin, se ir elevando la tensin, de forma que el incremento de sta no sea superior a 3 kV/s, hasta alcanzar el valor establecido. Una vez alcanzado, se esperar dos minutos; pasados estos se volver a operar como se ha dicho anteriormente, y as 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 reunir condiciones, y habr de tratarse.

BIBLIOGRAFIA-La Escuela del Tcnico Electricista, Alfred Holtz, Tomo VII, Transformadores.

-Teora Clsica y Problemas, Tomo I, M. A. Sobrevila.

-Manual Standard del Ingeniero Electricista, A. E. Knowlton.

-Mquinas Elctricas, A.E. Fitzerald- Kingsley.

-Transformadores, Apunte de Ctedra.

- Mquinas Elctricas y transformadores. Edwin Kosow.

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

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

Fig. 2 Vista de un bobinado y su aislamiento slido..

Fig. 3 Curvas de variacin de la vida til del aislamiento en funcin de la temperatura de trabajo de la mquina.

Fig. 5 Proceso de construccin de bobinado y sus partes aisladas.

Tabla 1 Valores de resistividad trmica de algunos materiales.

Fig.11 Esquema de conexin.

Tabla 2 Prdidas por conveccin en miliwatts por cm2 de superficie.

Fig.10 Esquema de ensayo de oposicin.

Fig. 6 Esquema de un transformadores aislado en resina epoxdica.

Tabla 5 Prdidas por radiacin y conveccin de las superficies verticales en funcin del aumento de temperatura para tres temperaturas ambientes diferentes y dos emisividades distintas.

Tabla 4 Transmisin del calor por radiacin.

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

Fig.7 Curvas de calentamiento de una mquina a diferentes clases de servicio.

EMBED Equation.3

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

Fig.12 Esquema de conexin.

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