Transformadores de distribución

Teoría, cálculo, construcción y pruebas

3a Edición

ING. PEDRO AVELINO PÉREZ Profesor titular de Ingeniería Eléctrica

Escuela Superior de Ingenería MecániCa y Eléctrica IPN, México .

~EDITORIAL ~ REVERTÉ

Título de la obra original: TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN (Teoría, cálculo, construcción y pruebas) Edición original publicada por: Reverté Ediciones, S.A. de C.V. Diseño de portada: Selva Hernández y José Luis Lugo Escrita y revisada por: lng. Pedro Avelino Pérez 1 a. Edición 1998 2a. Edición 2001 3a. Edición 2008 Edición en papel: ISBN: 978-968-6708-69-1 Edición e-book (PDF): ISBN: 978-84-291-9358-9

Propiedad de: REVERTÉ EDICIONES, S.A. DE C.V. Río Pánuco 141 Col. Cuauhtémoc C.P. o6soo México, D.F. Tel: ssꞏ33-56-s8 al 6o E-mail: resavbp@data.net.mx Reservados todos los derechos. Ninguna parte del material cubierto por este tftulo de propiedad literaria puede ser reproducida, almacenada en un sistema de información o transmitida de cualquier forma o por cualquier medio electrónico, mecánico, grabación u otros métodos sin el previo y expreso permiso del editor.

PRÓLOGO la. Edición

La intención de escribir este texto, es con la idea de apoyar a los alumnos de la carrera de

Ingeniería Eléctrica de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto ·

Politécnico Nacional (ESIME - IPN), sobre todo, a los estudiantes que opten por la especialidad

en el diseño y manufactura de máquinas eléctricas.

Los temas tratados en esta obra corresponde a la asignatura de "Diseño, Proyecto y

Construcción de Máquinas Eléctricas Estáticas 1"; pero, también cubre en buena medida a las

asignaturas de "Conversión de la Energía 111" y "Diseño, Proyecto y Construcción de Máquinas

Eléctricas Estáticas 11".

Para motivar el estudio de los lectores se ha procurado destacar el aspecto teórico y

práctico de los transformadores de distribución. Hemos incluido para esto un gran número de

figuras, de manera que la exposición sea claramente descriptiva y deductiva. Numerosas

fotografías y esquemas, sin duda, deben facilitar la explicación de cómo diseñar y construir

transformadores. Si bien, el texto tiene aspectos netamente didácticos, esto no limita a que

ingenieros y técnicos poco experimentados hagan uso de este material, ya que la información está

sustentada con los fundamentos teórico-prácticos y tecnológicos, así como, también de la

experiencia personal de varios años en la docencia y en la práctica del diseño y la manufactura.

Mi más expresivo agradecimiento a los profesores de la E.S.I.M.E.: M. en C. Alfredo

Reyes Rosario, lng. David Cabrera V ázquez, Ing. Enrique Herrera Solís, lng. Salvador Frausto ·

Reina, por las sugerencias y comentarios hacia la obra; así mismo al c. Pedro A ve lino Arenas, 1

alumno del Instituto Politécnico Nacional, por la captura de los manuscritos. De forma especial,

agradezco a mi esposa María Eugenia y a mis hijos Pedro y Eduardo por sus ánimos, paciencia y

comprensión durante los muchos días de trabajo y aislamiento requeridos para llevar a cabo esta

obra.

Igualmente para el Instituto de Investigaciones Eléctricas y a los fabricantes de

transformadores: PROLEC, VOLTRAN, DEEMSA, IEM y ABB, por la información obtenida de

sus catálogos de productos manufacturados.

ING. PEDRO AVELINO PÉREZ

PRÓLOGO 3a. Edición

Esta tercera edición del libro "Transformadores de distribución" tiene como finalidad mejorar la dicción y presentación del libro, así como, ampliar algunos conceptos teóricos y prácticos que quedaron limitados en las dos ediciones anteriores (la. y 2a. edición).

Esta nueva edición se ha ajustado en lo posible al nuevo currículum de la Carrera de Ingeniería Eléctrica que se imparte en la Escuela Superior de Ingeniería Mcánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional, particularmente cubre el programa de las asignaturas siguientes: 1) Diseño de Máquinas Eléctricas Estáticas y 2) Conversión de la Energía 111.

La primera y segunda edición de este libro tuvieron buena aceptación, espero que esta tercera edición tenga igual o mejor éxito que las dos anteriores, ya que se ha superado el contenido, pero, sobre todo, es de relevancia su utilidad en lo teórico, en lo práctico y más significativo en lo tecnológico.

EL AUTOR

Con profundo cariño y respeto para la mujer que me dio la vida, el amor maternal y la enseñanza elemental para mi formación. Sra. Martina Pérez viuda de Avelino.

De igual manera para el Alma Mater quien me brindó la oportunidad y los medios para mi formación profesional. E.S.LM.E. U. ZA C., LP.N.

PRÓLOGO

INTRODUCCIÓN

Contenido

Capítulo 1

GENERALIDADES DE LOS TRANSFORMADORES

1.1 El transformador en los sistemas eléctricos de potencia 1.2 Clasificación y utilización de los transformadores 1.3 Partes componentes de un transformador 1.4 Parámetros eléctricos empleados 1.5 Normas y especificaciones aplicables

Capítulo 11

FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS TRANSFORMADORES

2.1 Principios de operación del transformador monofásico 2.2 Reactancia de dispersión en los transformadores 2.3 Regulación de tensión de un transformador 2.4 Eficiencia de un transformador 2.5 Identificación de fases y polaridad en un transformador 2.6 El autotransformador 2.7 Placa de datos del transformador

CUESTIONARIO Y PROBLEMAS

BffiLIOGRAFÍA

Capítulo 111

EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

3.1 Constitución del transformador de tres columnas 3.2 Teoría de los transformadores trifásicos en estado de equilibrio 3.3 Núcleos trifásicos 3.4 Conexiones polifásicas en el transformador 3.5 Armónicas en los transformadores 3.6 Importancia del neutro del transformador en transformaciones

trifásicas

1

3

3 5

10 17 19

21 21 28 39 41 44 49 51

54

56

57

58 59 60 64 78

81

3. 7 El sistema por unidad 3.8 Acoplamiento de transformadores en paralelo

PROBLEMAS CUESTIONARIO

BIBLIOGRAFÍA

Capítulo IV

DISEÑO Y CÁLCULO DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN

4.1 Especificaciones de diseño de un transformador de distribución 4.2 Cálculo de tensiones y corrientes en los devanados 4.3 Cálculo del número de vueltas, sección del conductor y sección

del núcleo magnético 4.4 Cálculo de las dimensiones generales de las bobinas y del ancho

de las arcadas del núcleo

4.5 Pérdidas en el transformador y eficiencia 4.6 Impedancia del transformador 4.7 Regulación de tensión 4.8 Hoja de cálculo para el diseño 4.9 Aspectos térmicos de los transformadores 4.1 O Diseño óptimo de transformadores 4.11 Comentarios al diseño del transformador 4.12 Suplemento a otras formas fisicas de núcleos BIBLIOGRAFÍA

Capítulo V

83 85

89 93

94

95

95 98

99

105 121 125 127 127 128 128 131 132 133

CONSTRUCCIÓN DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN 135

5.1 Introducción 135 5.2 Proceso de manufactura de núcleos 136 5.3 Proceso de construcción de bobinas 144 5.4 Construcción del tanque y bastidor 153 5.5 Ensamble del conjunto núcleo-bobina 157 5.6 Proceso de secado del conjunto núcleo-bobina y el ensamble al tanque 160 5. 7 Transformadores autoprotegidos 162 5.8 Técnicas de protección para transformadores de distribución

tipo subestación 170

BIBLIOGRAFÍA 172

Capítulo VI

PRUEBAS ELÉCTRICAS A LOS TRANSFORMADORES

6.1 Introducción 6.2 Prueba de resistencia de aislamiento 6.3 Prueba de factor de disipación de los aislamientos 6.4 Prueba de rigidez dieléctrica del aceite 6.5 Prueba de relación de transformación y polaridad 6.6 Prueba de resistencia óhmica de los devanados 6.7 Prueba de potencial aplicado 6.8 Prueba de potencial inducido 6.9 Prueba de impulso 6.1 O Determinación de pérdidas en el transformador 6.11 Pruebas especiales aplicables BIBLIOGRAFÍA

Capítulo VIl

DISEÑO POR COMPUTADORA

APÉNDICES

Apéndice l. Conductores eléctricos Apéndice 2. Aceros eléctricos Apéndice 3. Aislamientos internos y externos Apéndice 4. Clases de aislamiento según su temperatura de operación

. Apéndice 5. Sistema de unidades Apéndice 6. Alfabeto Griego, Prefijos, Símbolos, Múltiplos Numéricos

y Tabla de Conversiones Apéndice 7. Equivalencias entre fracciones y valores decimales de

pulgadas inglesas y milímetros Apéndice 8. Significado de símbolos empleados

173

173 175 178 182 183 187 191 195 199 205 209 210

211

221

222 228 231 234 235

236

237 238

INTRODUCCION

La fmalidad de este texto es la de introducir a los estudiantes de ingeniería eléctrica en el campo cognoscitivo de los transformadores eléctricos. Con la información aquí vertida conocerá y comprenderá los fundamentos teóricos, la metodología del cálculo del diseño, la tecnología para la construcción de transformadores de distribución, y también de las pruebas eléctricas aplicables a éstos.

Durante la exposición del procedimiento del cálculo de diseño, se ha hecho el intento, en lo posible, de basar todos los argumentos sobre hechos científicos y de construir un diseño en una forma lógica a partir de principios fundamentales conocidos. Se reconoce generalmente que los fundamentos - o leyes básicas sobre las que se basan las teorías-, no pueden ser enseñados apropiadamente sin mostrar su aplicación práctica. Esa es la función principal de los cursos de laboratorio dentro del currículo. El estudiante obtiene datos del transformador para luego analizarlos con objeto de determinar si los resultados observados se encuentran o no en concordancia con ciertas leyes fundamentales que se proponen ser aplicables universalmente. La función del diseñador no es discrepar, sino crear. La diferencia entre un curso de laboratorio y un curso en diseño de máquinas es la misma que existe entre el análisis y la síntesis. Ambos son necesarios para el conocimiento completo de las leyes básicas que usualmente se conocen como fundamentos.

El ingeniero de diseño es raramente capaz de resolver un problema por el sencillo procedimiento de sustituir símbolos por valores numéricos en una o más fórmulas. Está obligado a confrontar, generalmente, una serie de problemas simultáneos para los que no existe una solución, sino muchas. Su función es, encontrar el punto óptimo entre los varios requerimientos técnicos exigidos y proponer una solución que satisfaga el propósito deseado de manera económica. Aun cuando el criterio de ingeniería no se adquiere fácilmente en la escuela, la práctica del diseño de cualquier máquina requiere el ejercicio del juicio individual en mayor grado que la mayor parte de los cursos en estudio. Todas las condiciones y factores a controlar son raramente conocidos con precisión al principio, y el diseñador debe hacer, frecuentemente, una serie de suposiciones y estimaciones antes de poder determinar alguna dimensión o proporción en particular; pero, habiéndolo hecho, aplicará las pruebas basadas en principios científicos establecidos como una comprobación de su criterio, en forma tal que quedará satisfecho de que su máquina o aparato cumplirá los requerimientos especificados por alguna norma establecida.

El método aquí seguido, supone que al diseñador se le da la libertad para producir un transformador que en todos los aspectos, sea adecuado para el trabajo a desempeñar y donde el costo y la eficiencia estarán, generalmente, de acuerdo con los requerimientos normalizados actuales. Los diferentes pasos en el diseño se dan dentro de una secuencia lógica, y si el trabajo parece ser innecesariamente detallado y laborioso, deberá recordarse que el método tiene un valor

1

2 INTRODUCCIÓN

didáctico formativo y práctico. Se ilustra la aplicación de principios teóricos a un caso concreto y muestra cómo la práctica de la ingeniería es, en gran parte, un trabajo de tanteo científico. El diseñador experimentado será capaz de eliminar muchos de los pasos intermedios aquí intencionalmente incluidos, porque será capaz de basarse sobre el criterio de ingeniería que ha adquirido durante años de práctica.

Es incuestionable que la ingeniería es la aplicación económica de la ciencia hacia fines materiales y si los factores de costo y durabilidad se omiten en un problema, los resultados obtenidos - aunque importantes desde otro punto de vista -, no tiene valor de ingeniería. El diseñador debe siempre tener en mente la interrogativa del costo, no sólo el costo de materiales -el cual es relativamente fácil de estimar - sino también el costo de mano de obra, que depende del tamaño y complicación de las partes, accesibilidad de los tomillos y pernos y factores similares. Aunque el manejo de costos raramente se aprenden con profundidad en la escuela, es más bien de la práctica en trabajos de ingeniería, el estudiante deberá tratar de comprender su importancia y llevarlas en mente. Otro aspecto no menos importante es la seguridad con que deben operar los transformadores para evitar riesgos al personal que instala y/o mantiene en servicio dichos aparatos. Se recomienda apegarse estrictamente a las normas de referencia a este fin.

A los lectores interesados en el estudio de transformadores se les recomienda, primeramente, conocer y comprender a profundidad la teoría del transformador, para luego tener la capacidad del análisis deductivo del cómo y el por qué se requiere seguir una metodología en el cálculo para diseñarlos, y a la vez construirlos y probarlos. De esta manera el alumno adquirirá la capacidad de síntesis para explorar otras formas o métodos de cálculo que conllevan a desarrollar nuevas y mejores tecnologías para el diseño y la construcción de transformadores. La evaluación de la calidad del producto que se fabrica, también es importante, ya que existe actualmente un mercado altamente competitivo.

Se compite en calidad, en precio y en servicio. Para evaluar la calidad de los transformado­res se ha dedicado todo un capítulo ( Cap. VI ), en donde se describe el objetivo y la metodología a aplicar a cada una de las pruebas, así como los criterios de aceptación o rechazo.

Finalmente, es importante destacar que todos los profesionales que se dediquen al diseño y/o a la construcción de máquinas, dispositivos o aparatos eléctricos, lo hagan teniendo el debido cuidado de no afectar el medio ambiente, ya que actualmente, es una norma establecida y exigida por la sociedad.

Capítulo 1 GENERALIDADES DE LOS TRANSFORMADORES

1 .1 El transformador en los sistemas eléctricos de potencia

Hoy en día en que se requiere transportar grandes cantidades de fluido eléctrico desde las fuentes de generación hasta los centros de consumo, no sería concebible sin el desarrollo de ciertos equipos eléctricos como es el caso característico de los transformadores.

Conforme la demanda eléctrica iba en aumento, la industria eléctrica, también fue teniendo un mayor crecimiento; luego entonces, la dificultad de trasladar este tipo de energía de un lugar a otro, fue haciéndose más evidente, pues en sus principios, se generaba corriente directa a baja tensión para alimentar los circuitos de alumbrado y de fuerza motriz; esto, hacía sumamente ineficiente la transmisión de grandes bloques de energía. Se vio entonces la necesidad de elevar la tensión en los centros de generación para llevar a cabo la transmisión de energía y reducirla al llegar a los centros de carga o de consumo.

El dispositivo ideal para llevar a cabo este proceso de transformación es el transformador, cambiándose con ello, el uso de la corriente directa a corriente alterna, dado que el transformador funciona sólo con corriente alterna.

En la figura 1.1 se muestra el esquema general de un sistema eléctrico. A través de un diagrama unifilar, se representa desde la generación hasta la utilización de la potencia eléctrica.

Las grandes plantas de generación o estaciones centrales, generan energía en forma masiva, la cual es luego transmitid_a a subestaciones en puntos cercanos a los sitios donde será utilizada. La energía es distribuida desde dichas subestaciones hasta los usuarios.

Haciendo referencia a la figura 1.1, se observa que para poder llevar la energía a los centros de consumo desde las fuentes de generación, es necesario del uso de cuando menos cuatro transformadores, los cuales tienen una función determinada. Como regla general podemos decir que, por cada kV A generados se requieren al menos cuatro veces más kV A de transformación.

3

4 CAPITULO l. GENERALIDADES DE LOS TRANSFORMADORES

Estas unidades se encuentran, normalmente, formando subestaciones eléctricas y según el empleo que se les de, reciben el nombre de transformadores de potencia o de distribución y pueden ser elevadores, reductores o de enlace (relación 111 ).

PLANTAS INDUSTRIALES

( 13.2 kV)

( 13.8 kV)

e GENERACION

~ l D ) ENLACES DEAT

~ (230kV)

( 23 kV ) 1

I ( 220/127 V)

[5[5[5

( 4.2 kV)

Figura 1.1. Esquema representativo de un sistema eléctrico de potencia.

Existen además, los transformadores especiales y los transformadores para instrumento que son empleados como auxiliares para conectar los aparatos para la medición, la protección y el control de los circuitos eléctricos de potencia.

Como podemos ver, los transformadores son una parte fundamental en los sistemas eléctricos en general. Pero, particularmente, los transformadores de distribución tienen una gran demanda comercial por la pequeña capacidad y la gran cantidad de transformadores instalados. A manera de comparación podemos decir que, para un transformador de potencia de 300 MV A requeriríamos aproximadamente de cuatro mil transformadores de 75 kV A.

TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN 5

1.2 Clasificación y utilización de los transformadores

Los transformadores pueden ser clasificados de distintas maneras, según se tome como base la operación, la construcción o la utilización; así tenemos que:

a) Por la operación. Se refiere a la energía o potencia que manejan dentro del sistema eléctrico:

- Transformadores de distribución. Los que tienen capacidad desde 5 hasta 500 kV A (monofásicos y/o trifásicos)

- Transformadores de potencia. Los que tienen capacidades mayores de 500 kV A

b) Por el número de fases. De acuerdo a las características del sistema al que se conectará:

-Monofásico. Transformadores de potencia o de distribución que son conectados a una línea o fase y a un neutro o tierra. Tienen una sola bobina de alta tensión y una de baja tensión. Se denota con el símbolo 1 <\>, figura 1.2.

- Trifásico. Transformadores de potencia o de distribución que son conectados a 3 líneas o fases y pueden estar o no conectados a un neutro común o tierra. Tiene 3 bobinas de alta tensión y 3 de baja tensión. Se denota con el símbolo 3<\>, figura 1.3.

Hl H2 ALTA TENSIDN

1 3 5

BAJA TENSIDN

Xl X2

Figura 1.2. Esquema eléctrico, transformador monofásico.

Hl H2 H3

ALTA TEN S ION He

HlDH3 1 r X e

"~'" BAJA TEN S ION

xo X! X2 X3 X3

Figura 1.3. Esquema eléctrico, transformador trifásico.

6 CAPITULO l. GENERALIDADES DE LOS TRANSFORMADORES

e) Por su utilización. De acuerdo a la posición que ocupan dentro del sistema:

- Transformador para generador. Son transformadores de potencia que van conectados a la salida del generador. Proporcionan la energía a la línea de transmisión, generalmente elevando la tensión.

Yugo

,- ------.... , 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Pierna

Are a del

núcleo

~ Trayectoria ~ delflujo

Dirección rolado y ugo

1

Entrehierro a tope

núcleo

Dirección rolado

(a) Núcleo tipo columnas.

Dirección del rolado y dirección del flujo

Area del núcleo

(b) Núcleo acorazado

Figura 1.4. Formas constructivas de núcleos y los tipos de núcleo de transformadores.

TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN

.].

A ........

B' .:;¡,. .! A' :...;,.

Tipo acorazado ( Tipo shell )

A' A p., p.,

[1~

e~ Tipo de dos columnas

Yugo recto o escalonado

A' ........

r~ A'

"

1

Núcleo arrollado de dos arcadas

Núcleo trifásico laminado o apilado

A-A'

B' ::.,. B-B'

ó 1 A-A'

ó 1 ó

C-C'

a ó ¡; ó

A-A'

Núcleo trifásico arrollado

Figura 1.5. Formas constructivas del núcleo.

7

i

8 CAPiTULO l. GENERALIDADES DE LOS TRANSFORMADORES

- Transformadores de subestación. Los transformadores de potencia que se conectan al final de la línea de transmisión para reducir la tensión a nivel de subtransmisión.

- Transformadores de distribución. Reducen la tensión de distribución a tensiones aplicables en zonas de consumo, o sea, a baja tensión.

- Transformadores especiales. Son transformadores de potencia diseñados para aplicaciones no incluidas en las anteriores y que pueden ser: reguladores de tensión, transformadores para rectificador, transformadores para horno de arco eléctrico, transformadores defasadores; autotransformadores para mina; transformadores para prueba; transformadores para fuentes de corriente directa y muchos otros.

Transformadores de instrumentos. Son transformadores de potencial y transformadores de corriente que son usados en la medición, en la protección y en el control.

d) Por la construcción o forma del núcleo. De acuerdo con la posición que existe entre la colocación de las bobinas y el núcleo, se conocen (o generalizan) dos tipos:

- Núcleo acorazado. También llamado tipo "shell", es aquel en el cual el núcleo se encuentra cubriendo las bobinas de baja y alta tensión.

- Núcleo no acorazado. También conocido como tipo columna o "core" y es aquel en el cual las bobinas abarcan una parte considerable del circuito magnético.

En las figuras 1.4 y 1.5 se pueden ver ambos tipos de núcleos y las formas constructivas de los mismos.

e) En función de las condiciones de servicio:

- Para uso interior. - Para uso a la interperie.

f) En función de los lugares de instalación:

- Tipo poste. - Tipo subestación. - Tipo pedestal. - Tipo bóveda o sumergible.

g) De acuerdo al tipo de enfriamiento. Existen los sumergidos en aceite y los tipo seco. Entre los sumergidos en aceite. tenemos:

- Tipo OA: Oil immersed, self-cooled (natural circulation of insulating liquid). - Tipo OA 1 FA: Oil immersed, forced-air cooled (via fans). - Tipo OA 1 FA 1 FOA: Oil immersed, forced-oil (via pump ), plus forced-air cooled. - Tipo FOA: Oil immersed, self-cooled plus forced-oil cooling via pump to circulate oil through

heat exchanger. - Tipo OW: Oil immersed, self-cooled, plus water-cooling by pump through pipe/coil or heat

exchanger. - Tipo FOW: ldem FOA.

Entre los tipos seccs, tenemos:

TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN 9

- Tipo AA: Dry type. Self-cooled (natural circulation of air). - Tipo AFA: Dry type. Forced-air cooled (circulation of air or gas). - Tipo AA/ FA: Dry type: Self-cooled forced-air cooled.

Traducción literal de los tipos de enfriamiento:

Tipo OA. Es un transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento más común y frecuente resultando más económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones. En estas unidades el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque con paredes lisas o corrugadas, o bien provistos de enfriadores tubulares o de radiadores separables.

Tipo OA 1 FA. Sumergido en aceite con enfriamiento a base de aire forzado. Esta unidad es básicamente del tipo OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor en las superficies de enfriamiento, y por lo tanto, aumentar los kV A de salida del transformador. El empleo de este sistema de enfriamiento esta indicado cuando la unidad debe soportar sobrecarga durante períodos cortos, pero cuya ocurrencia se espera con cierta frecuencia dentro de las condiciones normales de trabajo y, que deben ser tolerados sin afectar el funcionamiento normal del transformador.

Tipo OA 1 FA 1 FOA. Transformador sumergido en aceite con enfriamiento propio, con enfriamiento a base de aire forzado y a base de aceite forzado. El régimen del transformador tipo OA sumergido en aceite puede ser aumentado por el empleo combinado de bombas y ventiladores. En la construcción se usan los radiadores desprendibles normales, con la adición de ventiladores montados sobre dichos radiadores y bombas conectadas a los cabezales de los mismos. El aumento de la capacidad se hace en dos pasos.

En el primero se usan la mitad de los ventiladores y la mitad de las bombas para lograr el aumento de 1,333 veces la capacidad sobre el diseño OA; en el segundo se usa la totalidad de los ventiladores y las bombas, con lo que se consigue un aumento de 1,667 veces el régimen OA. El arranque y parada de los ventiladores y bombas son controlados por la temperatura del aceite, por medio de controles automáticos que seleccionen la secuencia de operación al aumentar la carga del transformador.

Tipo FOA.

Tipo OW.

Sumergido en aceite con enfriamiento con aceite forzado con enfriadores de aire forzado. El aceite de estas unidades es enfriado al hacerlo pasar por cambiadores de calor o radiadores de aire y aceite, colocados fuera del tanque. Su diseño esta destinado a usarse únicamente con los ventiladores y bombas de aceite, trabajando continuamente, en cuyas condiciones pueden sostener la totalidad de su carga nominal.

Sumergido en aceite, con enfriamiento por agua. Este tipo de transformador está equipado con un intercambiador de calor tubular colocado fuera del tanque.

10 CAPITULO l. GENERALIDADES DE LOS TRANSFORMADORES

El agua de enfriamiento circula en el interior de los tubos y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente. El aceite fluye estando en contacto con la superficie de los tubos.

Tipo FOW. Sumergido en aceite, con enfriamiento de aceite forzado con enfriadores de agua forzada. Este es prácticamente igual que el tipo FOA, sólo que el intercambiador de calor es del modelo agua-aceite y por lo tanto, el enfriamiento del aceite se hace por medio de agua sin tener ventiladores.

Tipo AA. Transformadores tipo seco con enfriamiento propio. Se caracteriza por no tener aceite u otro líquido para efectuar las funciones de aislamiento y enfriamiento. El aire es el único medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas.

Tipo AF A. Transformador tipo seco con enfriamiento por aire forzado, el diseño comprende un ventilador que empuja el aire en un dueto colocado en la parte inferior de la unidad; por medio de aberturas en el dueto se lleva el aire a cada núcleo. Este tipo solo tiene un régimen. Con ventilador.

Tipo AA 1 FA. Transformador tipo seco con enfriamiento propio, con enfriamiento por aire forzado, su denominación indica que tiene dos regímenes, uno por enfriamiento natural y el otro contando con la circulación forzada por medio de ventiladores, éste control es automático y opera mediante un relevador térmico.

Los transformadores de distribución son generalmente del tipo OA ( autoenfriados en aceite).

1.3 Partes componentes de un transformador

Las partes que componen un transformador son clasificados en cuatro grandes grupos, los cuales comprenden:

l. Circuito magnético (núcleo) 2. Circuito eléctrico (bobinas) 3. Sistema de aislamiento 4. Tanque herrajes y accesorios

a) El circuito magnético (núcleo)

El circuito magnético es la parte componente del transformador que servirá para conducir el flujo magnético generado, el cual concatenará magnéticamente los circuitos eléctricos del transformador. El circuito magnético se conoce comúnmente como núcleo. Este núcleo se encuentra formado por láminas de acero al silicio de grano orientado de bajas pérdidas y una alta permeabilidad magnética.

Todas las láminas están aisladas en ambas caras por medio de un aislante inorgánico llamado "carlite" que consiste de una capa especial aislante aplicada en el proceso final de planchado y recocido.

TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION 11

Básicamente, se tienen cuatro tipos de lámina de grano orientado, cuyas características se encuentran mencionadas en la tabla 1.1.

Tabla 1.1 Pérdidas unitarias en acero al silicio a 60 y 50 Hz.

60 Hz 50 Hz

GRADO DE ESPESOR WATTSPORLb WATTSPORKg WATTSPORLb WATTSPORKg

ORIENTACION Pu1g. mm 15 kGauss 17 kGauss 15 kGauss 17 kGauss 15 kGauss 17kGauss 15kGauss 17 kGauss

M-2 0,007 0,18 0,42 - 0,93 - 0,32 - 0,70 -

M-3 0,009 0,23 0,46 - 1,01 - 0,35 - 0,77 -

M-4 0,011 0,28 0,51 0,74 1,12 1,63 0,39 0,56 0,85 1,24

M-6 0,014 0,35 0,66 0,94 1,46 2,07 0,50 0,71 1,11 1,57

Las pérdidas en la lámina a 50 Hz comparadas con las pérdidas a 60 Hz tienen la siguiente equivalencia:

Pérdidas a 50 Hz = O, 76 x pérdidas a 60Hz

El tipo de lámina más usual en la fabricación de núcleos para transformadores es la especificación "M4", cuyas características de watts por libra o watts por kilogramo contra la densidad de flujo (B) a 50 y 60 Hz, están dadas en la misma tabla 1.1.

En la figura 1.6 se puede observar la estructura molecular del grano orientado del acero al silicio; en el material se le eliminó el aislamiento interlaminar.

Figura 1.6. Estructura granular del acero al silicio (M-4).

b) El circuito eléctrico (bobinas)

Las bobinas son la parte que componen los circuitos eléctricos del transformador (bobinas primarias y secundarias). Las bobinas se fabrican en diferentes tipos y formas dependiendo de las

12 CAP[TULO l. GENERALIDADES DE LOS TRANSFORMADORES

necesidades del diseño y de los materiales conductores que se utilicen: básicamente hablaremos del cobre y el aluminio.

La función de las bobinas primarias, es crear un flujo magnético para inducir en las bobinas secundarias una fuerza electromotriz, y transferir potencia eléctrica del primario al secundario mediante el principio de inducción electromagnética; este proceso se desarrolla con una pérdida de energía muy pequeña.

Aún cuando el cobre tiene una baja resistencia específica su mayor costo comparado con el aluminio dio lugar al incremento del uso del aluminio (usado por primera vez en 1952), especialmente en transformadores de distribución y pequeña potencia, ya sea sumergidos en líquido aislante o del tipo seco.

Durante la 11 Guerra Mundial cuando el cobre estuvo escaso, fueron usados conductores de plata en un considerable número de transformadores para plantas del gobierno de los Estados Unidos en la época de la guerra. Sin embargo, después de la guerra estos devanados fueron recobrados.

El diseñador debe considerar varias características particulares de ambos materiales. La tabla 1.2, presenta los datos específicos de ciertas propiedades relevantes.

Las ventajas de las bobinas de cobre son:

• resistencia mecánica, • conductividad eléctrica buena (bobina más pequeña).

Las ventajas de la bobina de aluminio son:

• estabilidad en el costo por suministro, • eficiente disipación de calor (capacidades muy pequeñas) únicamente para devanados en

banda (no para devanados de alambre); uso de hoja de aluminio (foil de aluminio), • considerable reducción en peso.

Los devanados de aluminio en la baja tensión son construidos solamente en banda; en cambio los devanados de cobre pueden ser construidos con solera o conductor redondo, forrados con papel o esmaltados, o la combinación de ambos aislamientos dependiendo del tipo (seco o sumergido en líquido aislante), tensión y potencia del transformador.

e) El sistema de aislamiento

Los transformadores poseen una serie de materiales aislantes, los cuales, juntos forman el sistema de aislamiento. Este sistema incluye materiales como:

• Cartón prensado (pressboard). • Papel kraft mormal o tratado (insuldur). • Papel manila y corrugado. • Cartón prensado de alta densidad. • Collares de cartón prensado y aislamientos finales. • Partes de cartón prensado laminados. • Esmaltes y barnices.