TRANSFORMADORES

Autor:TSU Yimmy Solis C.I. 15.523.836Semestre: 8vo.Carrera: Ingeniería EléctricaProf. Ing. Ranielina RondónMaracaibo, 24 de Abril del 2016

IntroducciónA través de la siguiente presentación se tratará el tema sobre Transformadores trifásicos, tipos de conexiones, uso de cada una de ellas, tipos de pruebas realizadas para garantizar la calidad de dichas maquinas estáticas para el cumplimiento final de sus funciones, también se determinara la importancia de su finalidad tanto a nivel de transmisión, distribución, indus-trial, comercial, y residencial.

CONEXIONES DE LOS TRANSFORMADORES Y PARA QUÉ SE USA CADA CONEXIÓN (INCLUYA  2 EJEMPLOS)

Las tensiones y las corrientes primarias respecto a las secundarias, de los sistemas trifásicos con la relación de transformación, deben indicar los desfases relativos entre las tensiones de una misma fase entre el lado de Alta Tensión y el de Baja Tensión.Para establecer estos desfases se deben construir los diagramas fasoriales de tensiones y corrientes, conociendo: la conexión en baja y alta tensión (estrella, triángulo o zig zag), las polaridades de los arrollamientos en un mismo circuito magnético o fase, y las designaciones de los bornes.A continuación se tratará los tipos de conexiones para transformadores trifásicos: Delta-delta, delta-estrella, estrella-delta, estrella-estrella y estrella-zig zag; también se mostrará mediante gráficas el cambio que sufren los valores de corriente y voltaje a lo largo de las líneas y fases del circuito.

De esta manera se mostrará como están conectados los distintos transformadores

Conexión Delta - Delta:

Se utiliza esta conexión cuando se desean mínimas interferencias en el sistema.Además, si se tiene cargas desequilibradas, se compensa dicho equilibrio, ya que las corrientes de la carga se distribuyen uniformemente en cada uno de los devanados.

La conexión delta-delta de transformadores monofásicos se usa generalmente en sistemas cuyos voltajes no son muy elevados especialmente en aquellos en que  se debe mantener la continuidad de unos sistemas. Esta conexión se emplea tanto para elevar la tensión como para reducirla. En caso de falla o reparación de la conexión delta-delta se puede convertir en una conexión delta abierta-delta abierta.

Circuito Estrella - Delta:

La conexión estrella-delta es contraria a la conexión delta-estrella; por ejemplo en sistema de potencia, la conexión delta-estrella se emplea para elevar voltajes y la conexión estrella-delta para reducirlos. En ambos casos, los devanados conectados en estrella se conectan al circuito de más alto voltaje, fundamentalmente por razones de aislamiento. En sistemas de distribución esta conexión es poco usual, salvo en algunas ocasiones para distribución a tres hilos.

Circuito Delta - Estrella:

La conexión delta-estrella, de las más empleadas, se utiliza en los sistemas de potencia para elevar voltajes de generación o de transmisión, en los sistemas de distribución (a 4 hilos) para alimentación de fuerza y alumbrado.

Circuito Estrella - Estrella:

Las corrientes en los devanados en estrella son iguales a las corrientes en la línea. Si las tensiones entre línea y neutro están equilibradas y son sinuosidades, el valor eficaz de las tensiones respecto al neutro es igual al producto de 1/1.732 por el valor eficaz de las tensiones entre línea y línea y existe un desfase de 30º entre las tensiones de línea a línea y de línea a neutro más próxima.Las tensiones entre línea y línea de los primarios y secundarios correspondientes en un banco estrella-estrella, están casi en concordancia de fase. Por tanto, la conexión en estrella será particularmente adecuada para devanados de alta tensión, en los que el aislamiento es el problema principal, ya que para una tensión de línea determinada las tensiones de fase de la estrella sólo serían iguales al producto 1/1.732 por las tensiones en el triángulo.

Circuito Estrella Zig-Zag

Los transformadores con conexión estrella-zig zag (Y-z) se emplean principalmente en redes de distribución ya que la conexión zig-zag permite el uso del conductor de neutro en el secundario.El comportamiento de los transformadores con conexión estrella-zig zag antecargas desequilibradas es bueno.El principal inconveniente de este tipo de transformadores es que necesita alrededor de un 15% más de espiras que un transformador con conexión en estrella en el secundario.

Pruebas que realiza el fabricante

Prueba de Vacío: En esta prueba se energiza al transformador su voltaje nominal por ellado secundario mas el 10% del mismo para conocer las perdidas del hierro y la corriente de excitación. La medición de la corriente de excitación en transformadores, determina la existencia de espiras en cortocircuito, detecta daños o desplazamiento de devanados y núcleo, conexiones defectuosas, problemas en el cambiador de tomas, etc. Se obtiene en el devanado primario al aplicar a éste un voltaje a frecuencia nominal, manteniendo el devanado secundario en circuito abierto. La corriente de excitación consta de dos componentes: una en cuadratura (IL) y la otra en fase (IR). La componente en cuadratura corresponde a la corriente reactiva magnetizante del núcleo, mientras que la componente en fase incluye pérdidas en el núcleo y cobre. La magnitud de la corriente de excitación depende en parte del voltaje aplicado, del número de vueltas y las dimensiones en el devanado, de la reluctancia y de otras condiciones tanto geométricas como eléctricas que existen en el transformador. Las pruebas de corriente de excitación se realizan con el medidor de factor de potencia que se disponga.

Prueba de Corto Circuito: En esta prueba se energiza el transformador por el lado primariocon su corriente nominal para así obtener el voltaje de impedancia y las perdidas del cobre.El objetivo de esta prueba es verificar que los valores de impedancia cumplen con los de diseño y de forma indirecta verificar el cambiador de tomas. Los valores de impedancia de cortocircuito son de gran utilidad ya que es el parámetro que determina la capacidad de cortocircuito de un equipo en condiciones de falla, así como la puesta en servicio de equipos similares en paralelo. Ya que es una prueba especial dentro del taller, el mismo no cuenta con una fuente variable alterna capaz de suministrar la corriente nominal del transformador, por lo que se realizo a tensión reducida con una fuente de voltaje alterna monofásica de valor fijo, para aquellos pasos del cambiador de tomas con información del valor de la impedancia de cortocircuito en la placa; mediante el método voltiamperimétrico.

Prueba de Inducida: Se mide y se observa el aislamiento entre la bobina primaria y secundaria a nivel de tierra o carcasa del transformador para así valorar su aislamiento.El objetivo de esta prueba es verificar el aislamiento entre espiras, secciones de la bobina y entre devanados de diferentes fases a frecuencia superiores a la nominal para evitar la saturación del núcleo al ser sometido a tensiones superiores. La prueba debe realizarse según lo establecido en la norma IEC 60076-3: 2000, cláusula 12, subcláusula 12.2 para aislamiento uniforme y subcláusula 12.3 y 12.4 para aislamiento no uniforme [18]. La forma de voltaje deberá ser lo más cercana a una onda sinusoidal y su frecuencia suficientemente por encima de la frecuencia nominal. Al final de la prueba el voltaje debe ser reducido rápidamente a un valor menor del valor de prueba.Prueba de Aplicada: Consiste en medir el aislamiento entre capas y devanados de las bobinas primarias y secundaria de los transformadores. Esta prueba es utilizada para conocer el valor de la resistencia óhmica de los devanados de un transformador cuando es sometida a una corriente continua. Es auxiliar para conocer el valor de las pérdidas en el cobre (I2R) y detectar falsos contactos en conexiones de bushings, cambiadores de tomas, soldaduras deficientes y hasta alguna falla inicial en los devanados. La corriente empleada en la medición no debe exceder el 15 % del valor nominal del devanado, ya que con valores mayores pueden obtenerse resultados inexactos causados por variación en la resistencia debido al calentamiento del devanado. Los factores que afectan la prueba son: cables inapropiados, suciedad en los terminales del equipo bajo prueba y contactos mal hechos que generan puntos de alta resistencia.

La resistencia de aislamiento varía inversamente con la temperatura en la mayor parte de los materiales aislantes; para comparar adecuadamente las mediciones periódicas de resistencia de aislamiento, es necesario efectuar mediciones a la misma temperatura, o convertir cada medición a una misma base. La base de temperatura recomendada, es de 20 ºC para transformadores y 40 ºC para maquinas rotatorias.

Prueba de Relación de Transformación: La relación de transformación se define como la relación de vueltas o de voltajes del primario al secundario, o la relación de corrientes del secundario al primario en los transformadores. Mediante la aplicación de esta prueba es posible determinar: a) Las condiciones del transformador después de la operación de protecciones primarias tales como: relé diferencial, relé Buchholz, fusibles de potencia, etc. b) Identificación de espiras en cortocircuito c) Investigación de problemas relacionados con corrientes circulantes y distribución de carga en transformadores en paralelo. d) Cantidad de espiras en bobinas de transformadores. e) Circuitos abiertos (espiras, cambiadores, conexiones hacia los pasatapas, etc.).

Se debe realizar la prueba de relación de transformación en todas las posiciones del cambiador de tomas antes de la puesta en servicio del transformador. Para transformadores en servicio, efectuar la prueba en la posición de operación o cuando se lleva a cabo un cambio en la derivación. También se realiza cada vez que las conexiones internas son removidas debido a la reparación de los devanados, reemplazo de bushings, mantenimiento al cambiador de tomas, etc. Para determinar el grupo de conexión y poder realizar la prueba de relación de transformación en transformadores trifásicos se puede utilizar el método del reloj.Recepción y/o verificación: Se realizan a todo el equipo nuevo o reparado, considerando las condiciones de traslado: efectuando primeramente una inspección detallada de cada una de sus partes.

Pruebas de Mantenimiento de rutina (Medición de Resistencia de los Devanados, Medición de las Pérdidas, Ensayo de la Rigidez Eléctrica del Aceite).

Cuando se realiza la inspección de un transformador, bien sea por rutina o por mantenimiento, se aplican en primera instancia una serie de pruebas preliminares que indican el estado en que se encuentra la unidad. En base a los resultados de estas pruebas, se tienen que tomar decisiones respecto al transformador, la de dejarlo fuera de servicio debido a que las condiciones en que se encuentra no es prudente que continúe en operación y por lo tanto debe someterse a un mantenimiento o la de dejarlo en operación y programar un mantenimiento preventivo. Las decisiones sobre las condiciones del transformador, las acciones a seguir y el envió de una subestación móvil como relevo se realizará de acuerdo al análisis de los resultados de las pruebas eléctricas.A continuación, a través de la guía de la Comisión Federal de Electricidad “Procedimientos de Prueba de campo para Mantenimiento Eléctrico en Subestaciones de Distribución” se realizará una descripción de las principales pruebas eléctricas a los transformadores de potencia.

Recomendaciones generales para realizar pruebas eléctricas al equipo primario

a) Para equipos en operación, con base en los programas de mantenimiento, tramitar los registros y permisos correspondientes. b) Tener la seguridad de que el equipo a probar no esté energizado. Verificando la apertura física de interruptores y/o cuchillas seccionadoras. c) El tanque o estructura a probar debe estar puesto a tierra. d) Desconectar de la línea o de la barra los terminales del equipo a probar. e) En todos los casos, ya sea equipo nuevo, reparado o en operación, las pruebas que se realicen siempre deben estar precedidas de actividades de inspección o diagnostico visual. f) Preparar los recursos de prueba indispensables como son: Instrumentos, Herramientas, Mesas de Prueba, etc. g) Preparar el área de trabajo a lo estrictamente necesario, delimitar el área de trabajo para evitar el paso de personas ajenas a la prueba, procurando se tengan fuentes accesibles y apropiadas de energía. h) Colocar los instrumentos de prueba sobre bases firmes y niveladas, verificando además la posición de trabajo de los equipos. i) Comprobar que los terminales de prueba estén en buenas condiciones y que sean las apropiadas

j) No aplicar voltajes de prueba superiores al voltaje nominal del equipo a probar. k) Durante las pruebas deben tomarse todas las medidas de seguridad personal y para el equipo. l) Anotar o capturar las lecturas de la prueba con todos aquellos datos que requiere el formato correspondiente (multiplicadores, condiciones climatológicas, etc.). m) Al terminar la prueba poner fuera de servicio el instrumento de prueba y poner a tierra nuevamente el equipo probado.

Prueba de Resistencia de Aislamiento: El modelo circuital de un material aislante cuando se le aplica un campo eléctrico está compuesto por una resistencia en paralelo con un capacitor. Cuando se le somete a un campo eléctrico, aparecen dos corrientes: una corriente capacitiva proveniente de la polarización de las cargas eléctricas y otra corriente resistiva producto del movimiento de los electrones por conducción de un lado del material al otro. En régimen permanente el capacitor se carga y se comporta como un circuito abierto (ya que él depende de una función en el tiempo) quedando solamente la resistencia pura del modelo.

Graficando los valores de resistencia de aislamiento contra el tiempo, se obtiene una curva denominada absorción dieléctrica; indicando su pendiente el grado relativo de secado y limpieza 29 o suciedad del aislamiento. Si el aislamiento está sucio o húmedo, se alcanzara un valor estable en uno o dos minutos después de haber iniciado la prueba y como resultado se obtendrá una curva con baja pendiente.

La pendiente de la curva puede expresarse mediante la relación de dos lecturas de resistencia de aislamiento, tomadas a diferentes intervalos de tiempo durante la misma prueba. A la relación de 60 a 30 segundos se le conoce como “Índice de Absorción”, y a la relación de 10 a 1 minuto como “Índice de Polarización”. Los índices mencionados, son útiles para la evaluación del estado del aislamiento de devanados de transformadores de potencia y generadores. Esta prueba es de gran utilidad para dar una idea rápida y confiable de las condiciones del aislamiento total del transformador bajo prueba. La medición de esta resistencia independientemente de ser cuantitativa también es relativa, ya que el hecho de estar influenciada por aislamientos, tales como porcelana, papel, barnices, etc., la convierte en indicadora de la presencia de humedad y suciedad en los materiales.

Prueba de Rigidez Dieléctrica del Aceite la Rigidez Dieléctrica: Es el valor de la diferencia de potencial máxima aplicada entre dos electrodos sumergidos en aceite, separados a una distancia determinada antes de que ocurra un arco eléctrico entre ellos. Esta prueba refleja la resistencia del aceite al paso de una corriente eléctrica, es decir su capacidad como aislante. Indica la presencia de partículas polares conductoras y especialmente la presencia de agua disuelta en el aceite. Entre los factores que afectan la rigidez dieléctrica, tenemos: a. Presencia de compuestos polares: Agua disuelta. Contaminantes orgánicos. Productos de la degradación del aceite. b. Presencia de partículas sólidas: Contaminantes sólidos: polvo, partículas metálicas. Lodos provenientes de la degradación del aceite Aditivos sólidos en exceso. c. Presencia de gases disueltos: Aire disuelto durante el manejo del aceite. Gases emitidos por el transformador. 53 De acuerdo con la ASTM existen dos métodos para las pruebas de rigidez dieléctrica: el establecido por la norma D-877 y la D-1816. El aparato utilizado de acuerdo a la norma D-877- ASTM, consiste en un equipo integrado con: un transformador, un regulador de voltaje, un interruptor, un voltímetro y una copa de pruebas que contiene dos electrodos separados a una distancia de 2.54 mm para la norma (D-877) y 1mm para la norma (D-1816).

Prueba de Rigidez Dieléctrica del Aceite la Rigidez Dieléctrica (Imágenes):