Una vez que abra un transformador de distribución, las únicas cosas que verá dentro son metales (acero, aluminio o cobre), papel, aceite, porcelana, etc. También verá algunos dispositivos que sirven únicamente para proteger el transformador de cualquier cosa que pueda salir mal con él. Si considera los transformadores que duran treinta años y aquellos que se descomponen después de cuatro, debe tener en cuenta que los elementos de construcción de ambas máquinas no difieren, pero lo que realmente cambia es la calidad de sus elementos de construcción y su precisión de medición. La guía que va a leer le dirá qué encontrará en un transformador y qué funciones realizan todos estos elementos. También conocerá los factores de satisfacción de las compras de transformadores, así como cómo determinar si un transformador ha sido mal fabricado o es de alta calidad.
Dentro de un transformador, hay un núcleo de acero laminado, un devanado de baja tensión y un devanado de alta tensión, así como un sistema de aislamiento compuesto de papel, tablero prensado y aceite (el tipo seco utiliza resina epoxi en lugar de aceite). El cambiador de tomas del transformador muestra conductores a través del tanque. Un radiador es parte del tanque, hay un conservatorio con un respiradero de gel de sílice, hay un relé Buchholz, un sistema de liberación de presión, así como termómetros. Es el núcleo el que determina las pérdidas en vacío, los devanados determinan las pérdidas por carga y la resistencia a cortocircuitos; el aislamiento determina la vida útil del transformador y los accesorios muestran la condición del fabricante.
Los Seis Sistemas Dentro de un Transformador
Utilizar el enfoque de pensamiento sistémico es beneficioso para entender el resto del artículo porque tiene una operación única y una forma específica de realizar pruebas.
- El sistema del imán incluye el núcleo laminado, que realiza la función de transferencia de energía y conversión de voltaje.
- El sistema eléctrico consiste en los devanados de baja y alta tensión, sus conexiones y las conexiones que se realizan dentro de ellos.
- La función dieléctrica es prevenir el flujo de corriente eléctrica y mantener las propiedades dieléctricas.
- El sistema mecánico consiste en el mecanismo para presionar el núcleo, el marco de devanado y el tanque con los devanados.
- La función de transferencia de calor consiste en los dispositivos de enfriamiento, ventiladores, el sistema de circulación de aceite y dispositivos de medición de temperatura.
- Los sistemas de control y protección consisten en relés Buchholz, sensores de presión, temperatura y análisis de gas.
El Núcleo: Donde se Decide la Pérdida en Vacío
El núcleo está hecho de una serie de piezas delgadas de acero apiladas unas sobre otras que casi siempre están hechas de acero silicio orientado al grano laminado en frío, CRGO. La orientación del grano es importante porque el flujo magnético va a lo largo de la dirección del laminado, que corresponde a la forma en que se fabrica el núcleo. El contenido de silicio, que está entre 3 y 4%, aumenta la resistividad permitiendo la supresión de corrientes parásitas, y el grosor de la laminación hace el resto del trabajo.
| Propiedad | Lo que verás en una especificación |
|---|---|
| Espesor de laminación | 23 mm, 0.27 mm o 0.30 mm, ocasionalmente 0.35 mm |
| Grado | M3 / M4 / M5 convencional, o grados de alta inducción como 23HP85 |
| Pérdida en el núcleo | 85 a 1.40 W/kg a 1.7 T, 50 Hz, dependiendo del grado |
| Factor de apilamiento | 95% a 98% |
| Tipo de unión | Paso en escalera, biselado a 45°, con rebaba mantenida entre 10 y 20 µm |
| Recubrimiento superficial | Recubrimiento de aislamiento C5 o C6 según IEC 60404-1 |
Dos filas son de importancia comercial. En términos de pérdidas en el núcleo, podemos decir que pasar de un núcleo de uso general de aproximadamente 1.30 W/kg de peso para un grosor de 0.30 mm a un núcleo de alta calidad de 0.85 W/kg de peso para un grosor de 0.23 mm se traduce en una reducción de un tercio de la pérdida en vacío en un transformador. Un transformador que funciona 8,760 horas al año se beneficia mucho de la diferencia, aunque no se puede ver desde fuera del tanque.
Otra fila importante está relacionada con la unión. Una unión en paso en escalera con rebaba minimizada facilita la reducción del espacio que significa menor corriente de excitación, ruido, así como pérdidas parásitas. Sin embargo, el rendimiento de un núcleo hecho con una unión a tope y corte áspero parece el mismo pero es considerablemente peor.
Los devanados: Cobre, Aluminio y las Uniones Entre
Los transformadores de distribución están diseñados de tal manera que el devanado de baja tensión se coloca más cerca del núcleo y el devanado de alta tensión se sitúa más lejos, lo que sirve para ahorrar espacio de aislamiento entre el devanado y el núcleo y facilitar la toma de tensión del devanado. El devanado está hecho de cobre o aluminio en forma de alambre redondo o plano.
La razón detrás de esta sustitución es bastante simple aunque a menudo malinterpretada. La conductividad eléctrica del cobre es 100% IACS, la conductividad del aluminio es alrededor de 61%, lo que significa que para hacer un devanado de aluminio con la misma resistencia debería ser aproximadamente 1.6 veces más grande en sección transversal. Dado que el aluminio también es mucho más ligero, el devanado final es significativamente más ligero y un transformador completamente de aluminio pesa mucho menos que su equivalente de cobre con las mismas especificaciones. Esta diferencia de peso es una de las pruebas de campo más rápidas para los compradores.
Lo principal que cambia no es la efectividad de un dispositivo correctamente construido, que varía solo unos pocos décimos de porcentaje a plena carga, sino las uniones. La unión entre el devanado de aluminio y el devanado de cobre o dos devanados de aluminio debe tener su recubrimiento de óxido eliminado y sellado, de lo contrario causarán problemas de calentamiento. Se considera una práctica estándar hoy en día utilizar recubrimiento de estaño, placas de transición bimetálicas, soldadura ultrasónica y, si el presupuesto lo permite, utilizar una clase de aislamiento más alta en el diseño del dispositivo para garantizar la fiabilidad térmica del diseño del dispositivo.
Para unidades de distribución sumergidas en aceite en el rango de 11 kV a 33 kV, esta es la parte del diseño donde una oferta baja suele aparecer primero, y vale la pena leer la propia descripción de un proveedor de su gama de transformadores de distribución sumergidos en aceite antes de comparar precios, porque la redacción sobre el material del devanado y el método de unión rara vez es accidental.
Aislamiento y Aceite: Las Partes Que Fallan Lenta pero Seguramente
El material aislante de un transformador es la combinación de papel kraft y tablero prensado tratado con aceite, y la expectativa de vida depende de la temperatura y el contenido de humedad. Esta es prácticamente toda la historia de la fiabilidad en una línea.
El papel no falla abruptamente. Se despolimeriza, lo que resulta en la pérdida de resistencia mecánica, y el grado de polimerización disminuye de 1,000 del papel nuevo a 200 o menos al final de la vida útil. Los productos del envejecimiento incluyen compuestos de furanos, y por esta razón se realiza un análisis de furanos como indicador de fin de vida, además del agua que procesa.
El aceite realiza tres tareas al mismo tiempo: aislamiento, transferencia de calor de los devanados a los radiadores, e informes de condición. El nuevo aceite mineral debe tener un voltaje de ruptura de al menos 30 kV probado en el espacio de 2.5 mm, y un nivel de humedad de decenas de partes por millón puede reducir este valor a la mitad. Por esta razón, la prueba de aceite es la forma más económica de diagnóstico, y así es como el transformador que tiene una pintura hermosa y aceite húmedo aún puede fallar.
En el caso de una unidad de tipo seco, el sistema dieléctrico es diferente, y el modo de falla también cambia. La fundición epóxica de los devanados se realiza con el límite de descarga parcial generalmente a 10 pC o menos de acuerdo con la IEC 60076-11, y incluso una fundición con vacíos puede pasar la prueba de frecuencia de potencia pero aún descargará durante la operación hasta que ocurra el rastreo.
El Cambiador de Tomacorrientes
Los transformadores de distribución generalmente utilizan un cambiador de tomacorrientes fuera de circuito, que es un tipo de interruptor manual que modifica el tratamiento de los devanados de alta tensión del transformador en algunos pasos, que generalmente son iguales a aproximadamente ±5% en pasos de aproximadamente 2.5%. El cambiador de tomacorrientes se ajusta en la etapa de puesta en marcha para corresponder al voltaje efectivo en términos generales para que esté cubierto y no necesite mantenimiento.
Los transformadores diseñados para aplicaciones más grandes y de tipo transmisión están diseñados para utilizar el tipo de cambiador de tomacorrientes en carga, que permite cambiar los tomacorrientes del transformador con el voltaje que pasa a través del cambiador de tomacorrientes. La diferencia en la carga de mantenimiento es sustancial, y se cubre en esta explicación del cambiador de tomacorrientes en carga y lo que hace.
Una observación práctica: las quejas de “bajo voltaje en el extremo lejano del alimentador” a menudo se deben a que un cambiador de tomacorrientes se ha dejado en el tomacorriente incorrecto y esta debería ser la primera verificación que se realice antes de culpar a la empresa de servicios públicos.
Tanque, Conservador, Deshidratador y el Relé Buchholz
Además de almacenar aceite, el tanque también sostiene la parte del núcleo y bobina del transformador, protege contra fallas internas, proporciona una superficie de enfriamiento y soporta los terminales y accesorios.
El área de enfriamiento es proporcionada por radiadores o láminas corrugadas con ventiladores instalados para enfriamiento forzado en una unidad más grande. Sobre el tanque, hay un conservador que es un pequeño tanque que contiene el volumen de expansión del aceite. El conservador se asegura de que el tanque principal esté lleno y que los terminales y la parte superior del devanado estén sumergidos en aceite en el rango de temperatura de -20 °C a + 50 °C.
El deshidratador se encuentra al final de la cadena. Consiste en gel de sílice que absorbe la humedad del aire que llena el tanque cuando el aceite se enfría. El cambio de azul a rosa es probablemente la única señal de la condición del aceite.
El relé Buchholz es un elemento de la tubería entre el tanque y el conservador. Los relés tienen dos partes: una que reacciona a la acumulación lenta de gas y la segunda que reacciona al aumento de aceite hacia el conservador cuando ocurre la onda de presión causada por la falla. Cómo el deshidratador y el relé trabajan juntos se establece en esta nota sobre las funciones principales del deshidratador y del relé de gas..
El dispositivo de alivio de presión es la última línea. Si un arco genera gas más rápido de lo que el Buchholz puede reaccionar, el PRD se levanta y ventila, idealmente lejos de donde están las personas.
Aisladores y Cajas de Cable
El aislador sirve como una parte que permite que la corriente entre en un tanque a tierra sin causar arco eléctrico. Es un tipo especial de aislante; está hecho de papel saturado de aceite en porcelana para el voltaje medio y está equipado con un núcleo de condensador que iguala el campo eléctrico entre el conductor y la brida. Está hecho de porcelana o epoxi en el lado de bajo voltaje, mientras que también se puede instalar una caja de cable con particionamiento de fase.
Los aisladores pueden fallar más frecuentemente de lo que uno podría pensar, y las razones son tediosas, problemas como porcelana agrietada, juntas desgastadas, terminales apretados en exceso y orificios de respiración bloqueados. Verifique el aislador primero al realizar la inspección del transformador, ya que una grieta delgada es fácil de detectar y reparar, mientras que el arco eléctrico no lo es.
Qué Cambia en un Transformador de Tipo Seco
En el caso de un transformador seco, no habrá aceite, conservador, respirador o relé Buchholz utilizado y el aire, así como el aislamiento sólido, ocuparán la posición del dieléctrico. Los devanados están impregnados y encapsulados por fundición de epoxi, mientras que el apilamiento CRGO actúa como núcleo.
Es solo una cuestión de compensación. Te deshaces de la carga de fuego del aceite y del mantenimiento del transformador de aceite, razón por la cual tales unidades se instalan en edificios, hospitales, túneles y centros de datos. Pero vienen con el precio de ser más sensibles a la humedad y la suciedad porque el aire tiene una menor resistencia dieléctrica que el aceite y la superficie sucia del devanado tiene el riesgo de convertirse en un camino de fuga. La clase de aislamiento sube hasta F o H, mientras que el sistema de refrigeración se convierte en AN o AF y la prueba de descarga parcial es de la mayor importancia.
Si la aplicación es en interiores y el riesgo de incendio domina, la especificación se ve bastante diferente de una unidad de aceite, y esta visión general de transformadores de distribución de tipo seco cubre las clases y códigos de refrigeración con más detalle.
Cómo Juzgar un Transformador desde lo que Hay Dentro
No puedes ver dentro de un tanque sellado, y no necesitas hacerlo. Siete puntos de control cubren la mayor parte del riesgo.
| Punto de control | Qué preguntar | Cómo se ve una mala respuesta |
|---|---|---|
| Grado del núcleo | Certificado de prueba de fábrica que nombra el grado y el grosor | “Acero silicio de alta calidad” sin grado |
| Material de devanado | Método de conductor y unión declarado, más masa de la unidad | Silencio sobre la unión, o masa muy por debajo de los pares |
| Prueba de pérdidas | Pérdida en vacío y carga medida contra valores garantizados | Solo cifras garantizadas, sin medición |
| Resistencia a cortocircuitos | Informe de prueba a IEC 60076-5, o un cálculo de diseño | La afirmación de que la prueba “no es necesaria” |
| Aumento de temperatura | Resultado de prueba de tipo a IEC 60076-2 | Una cifra calculada presentada como medida |
| Condición del aceite | Voltaje de ruptura y humedad al despacho | Sin prueba de aceite en absoluto en una unidad de aceite |
| Descarga parcial | Medición de PD de rutina, especialmente en tipo seco | “PD no es requerido para esta clase” |
Se enfatiza la importancia de la medición de pérdidas. De acuerdo con IEC 60076-1, las pérdidas totales máximas permitidas ascienden a +15%, lo que significa que el diseño que cumple con este requisito es más costoso que el que fue diseñado con el nivel promedio de pérdidas. Por lo tanto, es aconsejable solicitar los valores reales en lugar de garantías y realizar la comparación entre diferentes ofertas. Los métodos de prueba en sí están cubiertos en esta guía para probar un transformador.
Lo que no puedes ver y deberías pedir
Tres componentes invisibles son un factor decisivo para la vida del tanque. Son el apriete del núcleo, el refuerzo del devanado y la sequedad del aislamiento en el sellado.
La condición del apriete del núcleo se puede estimar a partir del ruido y las lecturas de corriente en vacío. Si las laminaciones no están ajustadas de manera firme, el ruido crecerá progresivamente. El refuerzo del devanado se puede evaluar con la ayuda de pruebas de cortocircuito. Esto hace que la prueba de tipo realizada para los prototipos sea una información más valiosa que un montón de certificados de calidad no relacionados. La sequedad del aislamiento solo se puede observar unos años después del proceso de sellado del tanque.
Debes pedir fotografías del núcleo y del devanado antes del llenado del tanque, los datos de presión del apriete del núcleo y la información sobre el vacío y el llenado de aceite. La empresa que realice las operaciones mencionadas anteriormente te proporcionará la información requerida sin dudarlo. Si la empresa no puede o no quiere proporcionarla, cambiará a un tema completamente diferente.
Preguntas Frecuentes
¿Cuáles son las principales partes dentro de un transformador?
Tenemos los siguientes componentes: núcleo, devanado de baja tensión, devanado de alta tensión, aislamiento, como papel, cartón prensado y aceite, o aislamiento epóxico en tipos de transformadores secos, cambiador de tomas, bujes, tanque, radiadores, conservador, respiradero, relé Buchholz, dispositivo de alivio de presión y termómetros. En transformadores más grandes, también tenemos CTs de buje y sensores de monitoreo.
¿Por qué el núcleo es laminado en lugar de sólido?
Para detener el camino de las corrientes de Foucault. Un núcleo de acero sólido permitiría que fluyan corrientes circulantes significativas a través del metal, calentándolo y desperdiciando energía. Capas delgadas, aisladas entre sí por una capa de recubrimiento aislante, restringen esas corrientes en pequeños lazos, disminuyendo así significativamente las pérdidas.
¿Cómo puedo saber si un transformador tiene devanado de cobre o de aluminio?
Investiga la masa de la unidad con unidades comparables de diferentes fabricantes, verifica la placa de datos y el informe de prueba, y solicita confirmación por escrito del material del devanado. Un devanado de aluminio requerirá un tamaño de conductor 1.6 veces mayor, así como permitir que la unidad alcance un peso menor. Ten en cuenta que la verificación física solo puede llevarse a cabo en una unidad rota o desensamblada.
¿Para qué es el aceite dentro de un transformador?
Hay tres aspectos: aislamiento, transferencia de calor de los devanados a los radiadores y monitoreo de condiciones. La tensión de ruptura del aceite y el nivel de humedad son las dos principales medidas que proporcionan información sobre la condición del equipo sumergido en aceite.
Referencias
- Rex Power Magnetics — ¿Qué hay dentro de un transformador de potencia?
- Daelim Transformer — Dentro del transformador
- De alta a baja tensión — Guía de partes del transformador
- Reinhausen — Cambiadores de tomas bajo carga y monitoreo de transformadores
- Nynas — Tecnología y pruebas de aceite para transformadores
Conclusión
La transferencia de energía se realiza a través del acero, conductor, papel, aceite y algunos dispositivos de protección que son parte del transformador. Hay pocos tipos de componentes que son comunes en los transformadores. La diferencia la marca el tipo de acero utilizado, las mediciones precisas de pérdidas, la calidad de las uniones y si la unidad estaba seca al sellarse. Envíe información sobre la solicitud, el proceso y las pérdidas y le enviaremos todas las especificaciones de los transformadores, incluyendo el grado de recubrimiento y las especificaciones de devanado, no solo el precio.