Mientras se llevaba a cabo una operación minera en Australia Occidental, el ingeniero eléctrico tuvo un problema para proporcionar a la planta de trituración remota un suministro de energía adecuado. El equipo en el sitio necesitaba energía trifásica de 415 V para alimentar los motores de la trituradora, energía monofásica de 240 V para la iluminación y servicios, así como un punto neutro lo suficientemente confiable para el sistema de protección contra fallas a tierra. En total, tres transformadores – de reducción, auxiliar y de puesta a tierra – representarían la solución en términos de rendimiento eléctrico, pero el área remota de operación, la limitación de espacio en un patín, así como el alto costo de transporte e instalación de transformadores separados no permitieron utilizar la solución de tres transformadores. La solución establecida fue el uso de un transformador de diseño combinado que permitió integrar las funciones de transformación de voltaje y suministro de energía auxiliar. Los transformadores de diseño combinado llegaron al sitio en un solo envío, tomaron un día para la instalación y funcionaron sin problemas durante seis años. La cuestión de cómo elegir el transformador combinado del tipo requerido representa la búsqueda de un transformador multifuncional capaz de realizar las funciones que de otro modo deberían cumplirse por separado, en lugar de ser capaz de entender los tipos de transformadores combinados disponibles en el mercado y sus aplicaciones, que deben tenerse en cuenta al tomar la decisión.
Un transformador combinado es un transformador que realiza dos o más funciones eléctricas simultáneamente que de otro modo requerirían dos transformadores. Los tipos de transformadores combinados más comúnmente utilizados incluyen el transformador de puesta a tierra wye-delta, el transformador de doble devanado, el transformador de tres devanados, el transformador montado en base. .
La ventaja del uso de transformadores combinados radica en la reducción de la huella del equipo, lo que lleva a la simplificación de la instalación y a un menor número de interconexiones y costos más bajos en comparación con la cantidad de transformadores. La desventaja del transformador combinado radica en el hecho de que si un transformador falla, todas sus funciones estarán fuera de servicio y que será más complicado realizar modificaciones y extensiones en el transformador combinado que en las unidades separadas. La clave para una especificación exitosa es que todas las funciones del transformador deben ser especificadas con precisión, y se debe elegir una configuración determinada que corresponda a los requisitos, junto con pruebas de tipo realizadas por un fabricante.
Qué es un Transformador Combinado — y por qué se especifica.
Un transformador combinado es un transformador que combina dos o más funciones eléctricas en una unidad: reproducción de voltaje, conexión a tierra, suministro de energía auxiliar, protección de circuitos y medición. No se trata como una categoría de producto con un conjunto estándar de especificaciones. Es un enfoque de diseño que evita la instalación de tres transformadores, cada uno de los cuales tiene su propio equipo, núcleo, buje, protección propia y cableado. En su lugar, los ingenieros pueden tener un transformador con todas las funciones no relacionadas con la transformación de voltaje bien adaptadas. La configuración más simple y popular de los transformadores combinados utilizados en la industria en aplicaciones de dos y servicios públicos es un transformador de conexión en estrella-delta con un circuito secundario adicional. El devanado primario conectado en estrella de este transformador tiene un punto neutro para conectar a tierra el circuito dependiendo del tipo de conexión a tierra. Los devanados secundarios conectados en delta aseguran que se suministre energía auxiliar trifásica a las cargas del servicio de la estación, por ejemplo, para fines de iluminación, y otros medios para asegurar el control del funcionamiento de la red eléctrica. El transformador combinado funciona ahora como un transformador de conexión a tierra y un transformador de energía auxiliar, eliminando la necesidad de utilizar dos transformadores adicionales. Para los ingenieros, el uso de estos tipos tiene la ventaja de asegurar una reducción en el área de las subestaciones o plantas de bombeo o compresión o unidades remotas. Todo esto se combina para reducir el uso de cimentaciones y conductos necesarios, así como minimizar el número de dispositivos de seguridad y facilitar el esquema de protección sin los aumentos significativos en los costos totales de equipos de hasta 20%–30% en contraste con la opción de comprar dos transformadores por separado.
Otras configuraciones de transformadores combinados utilizadas además del transformador de doble devanado con un OLTC integral que se puede usar si el voltaje primario cambia, siendo una buena solución para líneas de energía largas, regulando automáticamente el voltaje; el transformador de tres devanados, además de tener un devanado primario y dos devanados secundarios a diferentes niveles de voltaje, proporciona alimentación a dos conjuntos independientes de cargas a través del transformador sin afectar entre sí; el transformador montado en plataforma con interruptores y medición integrales se utiliza para construir las estaciones de distribución subterráneas estándar en áreas residenciales. Para obtener una visión general de la gama completa de tipos y configuraciones de transformadores disponibles para estas y otras aplicaciones, consulte el catálogo de productos en Subian Eléctrico, que incluye transformadores combinados, transformadores de conexión a tierra, transformadores de distribución y transformadores de potencia especiales.
Cómo especificar el voltaje, el kVA y los requisitos de conexión a tierra para un transformador combinado
Especificar un transformador combinado correctamente requiere que el comprador defina cada función eléctrica que el transformador debe realizar, y que proporcione al fabricante los valores específicos — las tensiones, las clasificaciones de kVA, la impedancia, el método de conexión a tierra, el aumento de temperatura, y la norma aplicable — para cada función. Los parámetros clave que deben incluirse en la especificación se resumen en la tabla a continuación para la configuración de transformador combinado más común: el transformador de conexión a tierra wye-delta con un secundario de potencia auxiliar.
| Parámetro | Lo que define | Cómo Especificarlo |
|---|---|---|
| Voltaje del sistema primario | El voltaje línea a línea del sistema al que se conectará el devanado primario del transformador. Esto determina la clase de voltaje del transformador, su clasificación BIL, y el nivel de aislamiento de los devanados primarios y los bujes. | Indique el voltaje nominal del sistema y el voltaje máximo del sistema. Para un sistema de 4,160 voltios, especifique “4,160 V nominal, 4,800 V máximo.” La BIL debe especificarse en función del entorno esperado de rayos y sobretensiones de conmutación del sistema — típicamente 60 kV BIL para un sistema de 4,160 voltios, 95 kV BIL para un sistema de 13,800 voltios. |
| kVA de conexión a tierra y corriente neutra | La capacidad térmica del devanado de conexión a tierra (wye). Esto no es lo mismo que el kVA de potencia auxiliar. La clasificación de kVA de conexión a tierra determina cuánto corriente de falla a tierra puede soportar el transformador, y por cuánto tiempo. | Especifique la corriente neutra continua (la corriente que el neutro puede llevar continuamente bajo condiciones normales y desbalanceadas — típicamente un valor pequeño, 5–10% de la corriente de carga total del sistema) y la corriente neutra de corto tiempo (la corriente que el neutro puede llevar durante la duración de una falla a tierra — típicamente 10 segundos, 30 segundos, o 1 minuto). Por ejemplo: “Corriente neutra continua: 10 A. Corriente neutra de corto tiempo: 200 A durante 10 segundos.” |
| kVA de potencia auxiliar y voltaje | La potencia que el devanado secundario delta entregará a las cargas del servicio de la estación. Esta es una salida estándar trifásica, de tres hilos. | Indique la clasificación de kVA y el voltaje secundario. Por ejemplo: “Potencia auxiliar: 150 kVA, 480 V, trifásico, de tres hilos.” La clasificación de kVA debe determinarse mediante un cálculo de carga para las cargas del servicio de la estación, con un margen para el crecimiento futuro. |
| Impedancia | La impedancia del transformador determina la caída de voltaje bajo carga y la magnitud de la corriente de falla a tierra. Una impedancia más baja resulta en una corriente de falla a tierra más alta y mejor regulación de voltaje, pero una mayor carga de corriente de falla en el equipo aguas abajo. | Especifique la impedancia como un porcentaje sobre la base de kVA de conexión a tierra. Para un sistema con conexión a tierra por resistencia, la impedancia es típicamente 4–6%. La impedancia debe coordinarse con el resistor de conexión a tierra y el esquema de relés de protección. Consulte a un ingeniero eléctrico si el sistema incluye múltiples fuentes o transformadores en paralelo. |
| Método de conexión a tierra | Cómo se conectará el punto neutro del devanado en estrella a tierra. El método de conexión a tierra determina la magnitud de la corriente de falla a tierra y el tipo de relé de protección que se utilizará. | Indique el método de conexión a tierra y el valor del resistor o reactor de conexión a tierra. Por ejemplo: “Conexión a tierra por resistencia, resistor de conexión a tierra de 20 ohmios, limitando la corriente de falla a tierra a 200 A a 4,160 V.” El resistor de conexión a tierra es un dispositivo separado, pero el transformador combinado debe estar diseñado para trabajar con él. |
| Norma aplicable | La norma a la que debe ser diseñado y probado el transformador. Esto determina los procedimientos de prueba, los criterios de aceptación y la documentación que el fabricante debe proporcionar. | Especifique IEEE C57.12.01 para transformadores de tipo seco, IEEE C57.12.00 para transformadores llenos de aceite, o IEC 60076 para aplicaciones internacionales. Si el transformador se instalará en un país específico, especifique la norma nacional que se aplica — por ejemplo, CSA C9 en Canadá, AS 60076 en Australia. |
La regla 80% y otras consideraciones de carga para un transformador combinado
La regla 80% para transformadores establece que los transformadores no deben operar continuamente por encima del 80% de su clasificación KVA, y esto se aplica a los transformadores combinados como a los transformadores regulares, pero debe aplicarse por separado para cada función individual del transformador. El devanado de conexión a tierra debe estar diseñado para la corriente de falla a tierra continua y a corto plazo que llevará en caso de que ocurra una falla, y la regla 80% no se aplica al devanado de conexión a tierra de la misma manera que se aplica a las cargas continuas, porque este devanado opera solo en condiciones anormales, y la capacidad a corto plazo es más importante que la clasificación continua. El devanado auxiliar debe estar clasificado en 125% de la carga que está sirviendo, y la regla 80% significa que el transformador debe operar no por encima del 80% de su clasificación KVA auxiliar. Así, un transformador que trabaja con un devanado auxiliar de 150 KVA para cargas de 120 KVA es aceptable, pero si se utiliza con un devanado auxiliar de 150 KVA para una carga de 150 KVA, estará subdimensionado — se calentará, el aislamiento envejecera más rápido y la vida útil de operación disminuirá. La norma IEEE C57.96 proporciona información sobre la carga del transformador y su relación con la vida del aislamiento y la temperatura tanto para transformadores de aceite como secos, y un comprador que siga estos requisitos en la etapa de diseño obtendrá un transformador diseñado para la carga real.
Eficiencia, Pérdidas y el Costo Total de Propiedad
A transformador combinado tiene tanto pérdidas en vacío (las pérdidas en el núcleo, que están presentes siempre que el transformador está energizado) como pérdidas de carga (las pérdidas en el devanado, que varían con el cuadrado de la corriente). Las pérdidas de carga del devanado de potencia auxiliar son el componente de pérdida dominante cuando las cargas del servicio de la estación están en funcionamiento, y las pérdidas del devanado de puesta a tierra son insignificantes durante la operación normal porque el devanado de puesta a tierra solo transporta la pequeña corriente neutra desbalanceada. El comprador que esté comparando ofertas para un transformador combinado debe evaluar las pérdidas utilizando una fórmula de capitalización de pérdidas que convierte las pérdidas de energía anuales en un costo de capital en valor presente, y debe comparar el costo total evaluado — precio de compra más el valor capitalizado de las pérdidas — en lugar del precio de compra solo. La fórmula es: Costo Total Evaluado = Precio de Compra + (A × Pérdida en Vacío en Vatios) + (B × Pérdida de Carga en Vatios), donde A y B son los factores de capitalización de pérdidas en dólares por vatio. El factor A refleja el costo de la energía que se consume continuamente, 24 horas al día, y típicamente es de $5 a $10 por vatio para aplicaciones industriales y de servicios públicos. El factor B refleja el costo de la energía que se consume bajo carga, y típicamente es de $1 a $3 por vatio. El Departamento de Energía de EE. UU. publica los factores estándar de capitalización de pérdidas para diferentes tipos de instalaciones, y el comprador puede usar estos valores, o los valores específicos de su propia tarifa eléctrica, para comparar ofertas sobre una base de costo total. Un transformador combinado con un precio de compra más alto y menores pérdidas a menudo tendrá un costo total evaluado más bajo que uno con un precio de compra más bajo y mayores pérdidas — y la diferencia puede ser sustancial durante una vida útil de servicio de 25 a 35 años.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la regla 80% para transformadores?
De acuerdo con la regla 80%, el transformador no debe ser cargado continuamente más allá de 80% de la kVA nominal en la placa de identificación; por lo tanto, esto proporciona margen térmico para evitar que el aislamiento envejezca demasiado rápido, así como facilita el crecimiento de carga sin la necesidad de instalar un transformador más grande y proporciona la posibilidad de acomodar sobrecargas a corto plazo sin disparar los dispositivos de protección del transformador. La regla se deduce de la guía de carga IEEE C57.96 y sirve como el estándar de la industria para el dimensionamiento de transformadores.
¿Cómo sé qué transformador necesito?
Para determinar qué transformador se debe usar, es necesario anotar todas las demandas que el transformador podría tener que satisfacer y derivar la kVA total conectada al final. Después de eso, elija el transformador según la posición—exterior o interior, así como si el tipo de transformador necesita ser de tipo seco o lleno de aceite de acuerdo con los requisitos del código civil. Después de esto, la clasificación del transformador que se debe elegir debe ser (el estándar) la superior y la carga real tenerse en cuenta para no exceder la regla 80% en relación con el trabajo continuo del transformador. La frecuencia también debe ser considerada.
¿Cómo elegir el transformador de corriente adecuado?
Elegir el transformador de corriente correcto (CT) requiere que determines la corriente primaria (corriente de carga máxima que el CT debe medir), la corriente secundaria (un CT generalmente tiene una corriente secundaria de 5 A o 1 A para medición y protección), la clase de precisión (define el error del CT a la corriente nominal y carga), la carga (impedancia de relés, medidores y cables que están conectados al CT), y el tamaño físico y tipo de instalación del CT. Además, el CT debe estar clasificado para el voltaje del sistema eléctrico y la corriente de cortocircuito disponible. Es importante mencionar que este es un dispositivo individual que es diferente de un transformador de potencia combinado.
¿Cómo determino qué tamaño de transformador necesito?
Para calcular qué tan grande debe ser un transformador, es necesario determinar el kVA de todas las cargas conectadas, aplicar los factores de demanda relacionados con cada tipo de carga de acuerdo con el NEC o códigos locales, sumar todas las cargas continuas como 125% de la clasificación de la placa de identificación, y seleccionar el kVA estándar más cercano por encima del valor calculado. La información necesaria para realizar este cálculo correctamente incluye un informe de estudio de carga, una copia del Artículo #220 del NEC, y la tabla de clasificación de kVA del fabricante.
Referencias
- IEEE C57.12.01 — Norma para Requisitos Generales para Transformadores de Distribución y Potencia de Tipo Seco. El estándar fundamental de IEEE para el diseño, prueba y rendimiento de transformadores de tipo seco, incluyendo los requisitos para transformadores de función combinada.
- IEEE C57.96 — Guía para la Carga de Transformadores de Distribución y Potencia de Tipo Seco. La guía de IEEE que define la relación entre la carga, la temperatura y la vida útil del aislamiento, y la fuente de la regla de carga 80%.
- Departamento de Energía de EE. UU. — Factores de Capitalización de Pérdidas para la Evaluación de Transformadores. La agencia reguladora que publica los factores estándar de capitalización de pérdidas para evaluar ofertas de transformadores sobre una base de costo total de propiedad.
- NFPA 70 (NEC) — Artículo 220 (Cálculos de Carga) y Artículo 450 (Transformadores). Los requisitos del Código Eléctrico Nacional para el cálculo de carga e instalación de transformadores en los Estados Unidos.
En este caso, la complicación radica en seleccionar un transformador combinado que requiere identificar todos los roles que el transformador necesita cumplir, incluyendo la conversión de voltaje, la conexión a tierra, la alimentación auxiliar y la regulación de voltaje, y luego determinar las especificaciones de cada rol con tal detalle que el fabricante podrá lograr todos ellos a la vez. Con un transformador combinado correctamente definido, se reduce la huella, el costo de instalación y el mantenimiento del sistema eléctrico en comparación con un conjunto de transformadores de función única. Sin embargo, si fallas en el proceso de especificación, significa que tu kVA de conexión a tierra, voltaje auxiliar e impedancia no se mencionan, y el fabricante utilizará su producto predeterminado, lo que significa que no cumplirá con tus requisitos. Subian Electric produce transformadores combinados para el mercado global. El kVA de estos transformadores, sus voltajes, conexión a tierra y la documentación de prueba requerida los convierten en una oferta atractiva para un comprador profesional.