Los transformadores de potencia aumentan o disminuyen el voltaje y la magnitud de la corriente en un sistema de potencia. Esta transformación ocurre debido al principio de inducción de Faraday y la variación en amperios-vueltas (o giros sinuosos). Tenga en cuenta que la potencia transferida sigue siendo la misma (menos pocas pérdidas de núcleo y cobre).
- Diseño del transformador
- Diseño del núcleo
- ¿Cuál es el propósito del núcleo del transformador?
- ¿Cuál es la diferencia entre el transformador de tipo núcleo y el de tipo carcasa?
- ¿Por qué el transformador de tipo carcasa es mejor que el transformador de tipo núcleo?
- Diseño de bobinado
- ¿Cómo se diseñan los devanados del transformador?
- ¿Cómo ayuda el entrelazado de los devanados del transformador?
- ¿Cómo se aplica el aislamiento a los devanados del transformador?
- Diseño del buje
- ¿Cuál es el propósito de un buje en el transformador?
- Diseño del cambiador de tomas de carga
- ¿Cuál es el propósito de un cambiador de tomas bajo carga?
- ¿Qué contiene el cambiador de tomas de carga?
- Diseño de tanques
- Diseño del sistema de refrigeración
- ¿Cómo se gestiona el calor dentro del tanque?
- ¿Cuál es el propósito de un tanque conservador?
- ¿Puede el transformador funcionar más allá de su clasificación de placa de identificación?
- Conexión de devanado del transformador
- Ventajas del transformador Wye-ground Wye-ground
- Desventajas del transformador Wye-ground Wye-ground
- Ventajas del transformador de tierra Delta Wye
- Desventajas del transformador de tierra Delta Wye
- Delta Terciario y Su Aplicación
- Cómo la conexión a tierra del transformador Afecta el diseño del sistema de alimentación
- Resumen
Diseño del transformador
Un transformador de potencia contiene 6 componentes clave.
- Núcleo
- Devanado
- Bujes
- Cambiador de tomas de carga
- Tanque
- Enfriamiento
Como ingeniero de energía, comprender el diseño de los componentes significa que puede especificar los transformadores correctamente.
Diseño del núcleo
¿Cuál es el propósito del núcleo del transformador?
El núcleo sirve como intermediario. Debido a que los devanados primario y secundario están aislados eléctricamente, el núcleo apoya el proceso de inducción al proporcionar una ruta para que el flujo magnético se mueva del devanado primario al secundario. Para apoyar esta misión, debe realizar dos cosas correctamente
: Proporcionar una buena permeabilidad magnética.
– Minimice las fugas de flujo.
Esto se logra utilizando láminas laminadas de acero Orientado al grano laminado en frío (CRGO).
¿Cuál es la diferencia entre el transformador de tipo núcleo y el de tipo carcasa?
Las hojas laminadas se forman en un tipo de núcleo o tipo de carcasa. Observe sus diferencias en las imágenes de abajo.
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Transformador tipo núcleo. Observe cómo los devanados encapsulan el núcleo (láminas laminadas). -
Otro transformador tipo núcleo de 5 extremidades.
¿Por qué el transformador de tipo carcasa es mejor que el transformador de tipo núcleo?
El transformador tipo carcasa, aunque costoso de fabricar (debido al material adicional) es mejor que el tipo de núcleo por las siguientes razones
1. Proporciona altas capacidades de resistencia a la corriente de cortocircuito. Esencialmente, las láminas de metal laminadas alrededor de los devanados lo sujetan cuando se flexionan o se tuercen durante un cortocircuito.
2. Las extremidades exteriores proporcionan un camino adicional para que fluya el flujo de fuga. Sin esta ruta de escape, como en el tipo núcleo, se produce un sobrecalentamiento local.
3. Puede soportar mejor una sobrecarga de voltaje debido a los devanados de discos intercalados (explicados a continuación).
Diseño de bobinado
¿Cómo se diseñan los devanados del transformador?
Los devanados conducen la corriente. Como tal, puede aumentar el voltaje inducido al aumentar las vueltas alrededor del núcleo y disminuir el voltaje al disminuir las vueltas.
Para bobinados primarios y secundarios, el empleo de un conductor de transposición continua (CTC) proporciona una alta estabilidad mecánica (debido a la forma en que los campos magnéticos se cancelan). Para bobinados terciarios o estabilizadores, se utiliza el conductor de cobre plano.
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Conductor transpuesto continuo CTC -
Conductor de cobre plano -
Método de giro del devanado del transformador. Devanados de capa y helicoidales comúnmente utilizados para devanados terciarios. Devanados de disco de uso común en devanados primarios y secundarios.
¿Cómo ayuda el entrelazado de los devanados del transformador?
Aunque los devanados se pueden girar simplemente helicoidalmente alrededor del núcleo, intercalar los giros (ver imagen) crea mini condensadores que ayudan a descomponer la sobrecarga de voltaje entrante y enterrarla en los devanados. La inserción de un cable de protección (cobre plano) entre las vueltas es otro método de canalizar la sobrecarga.
¿Cómo se aplica el aislamiento a los devanados del transformador?
Para canalizar la corriente, cada pulgada de cobre está aislada de papel (kraft): giro a giro, entre bobinado de baja tensión y núcleo, entre bobinado de alta tensión y bajo tensión, entre bobinado de alta tensión y núcleo.
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Devanado secundario en láminas laminadas del núcleo metálico -
Observe el aislamiento entre las vueltas, entre las bobinas y entre la bobina y el bastidor (en la parte superior). Además, observe el cable de protección.
Diseño del buje
¿Cuál es el propósito de un buje en el transformador?
Los bujes proporcionan una ruta para que la corriente fluya desde el conductor energizado (alto voltaje) a los devanados dentro del tanque (sin energizar el tanque). Debe preocuparse por dos puntos de contacto. Uno, en la parte superior, donde aterriza el conductor. El aislante de porcelana mantiene la distancia entre la fase y el suelo. En segundo lugar, dentro del buje, los mini-condensadores creados por papel y lámina mantienen la holgura (los condensadores descomponen el voltaje). Este tipo de buje se llama buje de capacitancia o condensador. Esto es típico para transformadores con voltajes de alta tensión, EHV, & UHV. A tensiones medias y por debajo de los bujes de resina (secos) son una alternativa.
Diseño del cambiador de tomas de carga
¿Cuál es el propósito de un cambiador de tomas bajo carga?
A medida que la carga aumenta o disminuye, el voltaje en la subestación disminuye o aumenta respectivamente. Para mantener el voltaje estable, se puede agregar o quitar el número de vueltas de bobinado (recuerde, agregar vueltas secundarias aumenta el voltaje o viceversa). Esta es la función de un cambiador de tomas bajo carga: estabilizar la tensión mediante giros variables. Los devanados OLTC permanecen en el tanque principal (alrededor del núcleo) mientras que el operador y sus accesorios se montan en un compartimento separado.
¿Qué contiene el cambiador de tomas de carga?
Hay cientos de voltios de diferencia de potencial entre cada grifo dentro del transformador. Por lo tanto, cuando hace o rompe una conexión de grifo, el arco es manejado por los interruptores de vacío. Cuando se puentean dos posiciones de grifo, la diferencia de potencial impulsa la corriente circulante. El autotransformador preventivo actúa como inductor, limitando la entrada de corriente asociada con la corriente circulante. Este es su tipo reactivo OLTC. Otra variación es el OLTC resistivo.
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Interruptores de vacío (botellas blancas) en el LTC -
Mecanismo de cambio de tomas -
El autotransformador preventivo regula la corriente de entrada al unir dos posiciones de grifo
Diseño de tanques
El diseño de tanques es donde usted se vuelve creativo, para apoyar los requisitos de ubicación y proyecto. Puede especificar bujes en cualquier lado, instalar sistemas de refrigeración, reducir el sonido utilizando un panel de tanque único, elegir conductos de bus de fase aislada, conductos de bus segregados o no segregados, etc.
Otra decisión de diseño crítica es elegir un transformador de tres fases de 1 fase o un transformador de tres fases. Transformadores elevadores de generadores en grandes centrales eléctricas, los transformadores en subestaciones de EHV siguen la ruta de tres fases de 1 fase.
Tres transformadores de 1 fase tienen cada banco aislado del otro y, por lo tanto, ofrecen continuidad de servicio cuando falla un banco. Un solo transformador de 3 fases, ya sea de tipo núcleo o carcasa, no funcionará ni siquiera con un banco fuera de servicio. Este transformador de 3 fases, sin embargo, es más barato de fabricar, tiene un tamaño más pequeño y funciona relativamente con mayor eficiencia.
Diseño del sistema de refrigeración
¿Cómo se gestiona el calor dentro del tanque?
El flujo de corriente en el devanado de cobre genera calor. La corriente de foucault & en el núcleo genera calor. El aceite mineral extrae este calor. Normalmente, el flujo de convección natural del aceite elimina el calor: el aceite caliente sube a la parte superior -> se mueve a los radiadores -> el aceite se enfría, se asienta y se mueve al tanque principal -> el aceite se calienta de nuevo y sube (se repite el proceso).
Para mejorar la refrigeración, conecte un banco de ventiladores a los radiadores o intercambiadores de calor. Para mejorar aún más, forzar el movimiento del aceite (a través del tanque o devanados) utilizando bombas.
Debido a que la lata de aceite recoge humedad/oxígeno/residuos, el sistema de preservación o filtración de aceite ayuda a prolongar la vida útil de un transformador.
¿Cuál es el propósito de un tanque conservador?
El aceite se expande y contrae con la carga del transformador. Debido a que el tanque está sellado y bajo vacío, el volumen de aceite se controla mediante dos métodos.
Método 1: Utilizar un tanque conservador. El tanque principal se llena completamente. El exceso de aceite se derrama en este tanque.
Método 2: El tanque principal no está completamente lleno (pero el núcleo y los devanados están sumergidos). Una «manta» de gas nitrógeno llena el vacío en la parte superior. A medida que el petróleo se expande, el gas se libera. A medida que se contrae, una botella externa de nitrógeno rellena el gas.
¿Puede el transformador funcionar más allá de su clasificación de placa de identificación?
La capacidad de potencia de los transformadores está limitada por la clasificación térmica. Esto significa que el transformador puede funcionar más allá de su clasificación de MVA siempre que la temperatura de su aceite superior se mantenga dentro del aumento de temperatura de 65 ° C por encima de la temperatura ambiente (consulte la norma IEEE C57.12.00-2015). Por ejemplo, si la temperatura ambiente es de 45 ° C, el transformador se puede empujar a un valor inferior a 45 ° C + 65 ° C = 110 ° C.
No se recomienda una sobrecarga prolongada del transformador debido a la saturación de su núcleo (mayores pérdidas), la pérdida de esperanza de vida y el deterioro del aislamiento del devanado.
Conexión de devanado del transformador
Una vez que las bobinas están en su lugar, los tres devanados primarios y los tres devanados secundarios se pueden atar como delta o wye (o estrella). Una de estas configuraciones se muestra a continuación.
Aunque parezca que estás haciendo un cortocircuito al atar un extremo de la bobina a tierra neutral (en una estrella) y al atar una bobina a otra (en un delta), este no es el caso. Estas conexiones funcionan debido a la ley de Lenz.
El uso de cualquier combinación: delta-estrella, estrella-delta, estrella-estrella o delta-delta tiene un gran impacto en el diseño del sistema de energía. Por lo tanto, la elección de la conexión es crítica.
Ventajas del transformador Wye-ground Wye-ground
- Proporciona ahorro de aislamiento, lo que lleva a un ahorro de costos en el transformador.
- Fase simplificada, es decir, sin desplazamiento de fase, simplifica el paralelismo del transformador.
Desventajas del transformador Wye-ground Wye-ground
- Los armónicos (frecuencias no deseadas) se propagan a través del transformador, causando potencialmente interferencias de radio.
- La corriente de secuencia cero fluye a través del transformador.
- Las fallas externas de línea a tierra dispararán el transformador (si la conexión neutral permite la entrada de corriente de falla, entonces en una zona de protección diferencial, la entrada de corriente no es lo mismo que la salida de corriente).
- Existe la posibilidad de cargar las fases de forma diferente, lo que conduce a un sistema de alto voltaje desequilibrado.
Ventajas del transformador de tierra Delta Wye
- Debido a que el devanado delta atrapa la corriente de secuencia cero, se puede suponer que el relé ascendente en el transformador delta-wye solo capta las fallas de tierra de los lados altos. Esto permite ajustes de recogida muy sensibles. Por el contrario, la combinación wye-wye permite que pase la corriente de secuencia cero, lo que dificulta la evaluación de la ubicación de la falla. En resumen, se mejora la protección del relé.
Desventajas del transformador de tierra Delta Wye
- Debido al cambio de fase asociado con estos transformadores, se debe prestar más atención al diseño. Las posibles trampas de error se producen durante el cableado en paralelo y de TC.
- Alto costo de aislamiento que conduce a un transformador costoso.
Se pueden encontrar detalles adicionales sobre los pros y los contras de varias configuraciones de bobinado en el artículo de General Electric titulado Los porqués de los Wyes.
Para capturar los pros de cada combinación, un transformador de potencia se puede fabricar con tres juegos de bobinado (en lugar de solo dos), típicamente wye primario, wye secundario y delta terciario.
Delta Terciario y Su Aplicación
En un transformador de tres devanados wye-wye-delta, el devanado terciario delta permite conectar a:
- Banco de condensadores-para corrección de voltaje o factor de potencia
- Reactores-para evitar que el voltaje se abombe (efecto Ferranti) en líneas de EHV durante condiciones de carga ligera.
- Transformador de servicio de estación: alimentación de CA para equipos dentro de la subestación
- Desde el punto de vista de protección y control, atrapa la corriente de secuencia cero (falla a tierra). Si inserta un TAC en este devanado terciario, puede medir esta corriente. Debido a que este bobinado también atrapa 3r armónicos, se llama bobinado estabilizador.
- Los terciarios Delta inducen una corriente en una sola dirección, independientemente de dónde ocurra la falla: lado alto o lado bajo. Por lo tanto, un relé direccional se puede polarizar utilizando los TC terciarios delta.
Cómo la conexión a tierra del transformador Afecta el diseño del sistema de alimentación
Sin entrar en muchos detalles, para ahorrar costos y seguridad, la conexión en estrella es la conexión preferida para la transmisión de alto voltaje. En este escenario, el punto común, el neutral, está conectado a tierra o conectado a tierra. Al hacer esto, la tensión de fase a neutro o la tensión de fase a tierra se reducen en un factor de 1/sqrt(3). No obtendrá esta reducción con una conexión delta (sin conexión a tierra).
Solo tiene sentido usar un transformador delta-estrella cerca de la estación generadora donde el delta está conectado a los terminales del generador y la estrella está conectada a las líneas de transmisión de alto voltaje. Con conexión de estrella a tierra en el lado de alta tensión, el devanado del transformador se puede aislar para tensiones más bajas (fase a tierra). El sistema de transmisión también tendrá un requisito de aislamiento más bajo. Estos proporcionan un enorme ahorro de costos en el diseño y construcción del sistema de transmisión.
Sin embargo, hay una desventaja en la conexión a tierra del transformador neutro. Cuando una línea o las tres líneas en el lado de la estrella cortocircuitan al suelo, el punto neutro conectado a tierra del transformador sirve como una ruta de retorno para la corriente de falla. Estas corrientes de falla, cuando no se eliminan en fracciones de segundo, pueden dañar gravemente el transformador y todos los equipos conectados a él. Las corrientes de falla a tierra también son ricas en corrientes de tercer armónico. El tercer armónico de la línea de transmisión interrumpe todos los canales de comunicación (por ejemplo, la retransmisión del piloto portador de la línea eléctrica) en las proximidades.
Pero no todo se pierde con la combinación estrella-delta/delta-estrella (debido a la conexión a tierra neutral). La conexión delta ofrece alta impedancia a los terceros armónicos y atrapa la corriente de falla a tierra, evitando así que se propague de un lado a otro.
Resumen
- Transformadores Delta-star: Aplicados en estaciones generadoras y centros de carga.
- Transformadores estrella-estrella-delta: Aplicados en subestaciones de transmisión (765kV, 500kV, 345kV).
- Puesta a tierra el neutro proporciona corrientes de falla de tierra más altas, sin embargo, el ahorro de costos realizado por requisitos de aislamiento más bajos hace que la puesta a tierra neutral sea aceptable.
