Aquellos ingenieros que han participado en licitaciones de transformadores atestiguarán cómo se siente comparar dos ofertas en cuanto a apariencia, mientras que son absolutamente diferentes en lo que respecta a la calidad: grado de acero del núcleo, diseño de bobinado, sujeción e aislamiento. La conexión delta-estrella del transformador es solo parte del trabajo realizado. Lo que también es importante es la forma en que se construye. El presente documento explica todas las características de construcción de los transformadores delta-estrella, como la disposición del núcleo y el bobinado, la disposición de los terminales, los cambiadores de tomas, el sistema de refrigeración y el diseño del tanque, permitiendo así tener una visión de la oferta presentada.
Una respuesta a esta pregunta es la siguiente. El transformador delta-estrella consta de tres bobinas de alta tensión conectadas en delta y tres bobinas de baja tensión conectadas en estrella dispuestas concéntricamente alrededor de un núcleo laminado de acero silicio orientado a grano. El transformador también incluye un punto neutro de baja tensión, tres terminales de alta tensión, cuatro terminales de baja tensión, un cambiador de tomas fuera de circuito/en carga, y el sistema de refrigeración (el tipo de aceite utiliza ONAN/ONAF y el tipo seco utiliza AN/AF). Las mejores características de la construcción incluyen la sujeción ajustada de las juntas del núcleo en inglete, el refuerzo del bobinado en tamaños axiales y radiales para fuerzas de cortocircuito, aislamiento clasificado para BIL (tensión de impulso por rayo) de la clase de tensión requerida, y el proceso de secado al vacío.
Resumen de la construcción
Un transformador delta-estrella está compuesto por dos partes, la parte activa y la parte de la envoltura. La parte activa está formada por el conjunto de núcleo y bobinado que se compone de un núcleo de transformador de tres patas (puede ser necesario un transformador de cinco patas para aplicaciones de mayor potencia), así como las tres bobinas de alta tensión conectadas en delta y tres bobinas de baja tensión conectadas en estrella junto con el cambiador de tomas y el aislamiento de los conductores. La envoltura está hecha de un tanque (en el caso de un transformador sumergido en aceite) con radiadores de refrigeración o aletas, terminales, sistema de preservación de aceite y dispositivos de protección, o de una carcasa ventilada con terminales (en el caso de transformadores sólidos). En los transformadores sumergidos en aceite, la parte activa se seca al vacío y se empapa con aceite mineral que cumple la función de aislamiento y refrigeración. En los transformadores de tipo seco, los bobinados se vierten al vacío en epoxi, eliminando así por completo el uso del sistema de aceite. Las conexiones delta y estrella se realizan en el transformador y externamente solo se ven tres terminales de alta tensión y ya sea tres terminales de baja tensión con un neutro o cuatro terminales de baja tensión en el lado de baja tensión.
| Componente | Construcción típica | Función |
|---|---|---|
| Núcleo | Laminaciones GOES, juntas en inglete, sección transversal escalonada | Trayectoria de flujo de baja pérdida |
| Bobinado de baja tensión (estrella) | Cobre, bobinado helicoidal o en capas, posición interna | Transporta corriente de baja tensión, proporciona neutro |
| Bobinado de alta tensión (delta) | Cobre, bobinado en capas o en disco, posición externa | Transporta tensión de línea, forma el lazo delta |
| Barreras de aislamiento | Papel de celulosa / epoxi, dimensionado para BIL | Resistencia dieléctrica |
| Cambiador de tomas | Fuera de circuito ±2×2.5%, o OLTC | Ajuste de relación de tensión |
| Tanque / recinto | Acero soldado, sellado o conservador (aceite); carcasa ventilada (seco) | Protección, refrigeración, contención de aceite |
El núcleo: Grado de acero, juntas y sujeción
El mayor factor cuando se trata de pérdida de potencia y producción de ruido es la calidad del núcleo. Los núcleos modernos están hechos de acero silicio orientado a grano (GOES) fabricados en grados como 27ZH95 o 23ZH85 o también de metal amorfo para una mejor eficiencia. El grado muestra el tipo de acero que se utiliza e indica cuán grueso es el acero y la eficiencia de pérdida, ya que un número más bajo significa menos pérdida en un kilogramo. Las chapas tienen un corte en inglete a lo largo de los bordes, reduciendo así el grado de pérdida y la corriente que se produce por las esquinas. Las chapas también deben ensamblarse de manera que se asemeje a una forma circular para minimizar el área ocupada durante el bobinado. La etapa final es asegurarse de que el núcleo esté fijado de la manera correcta. El núcleo puede estar demasiado suelto y crear vibraciones, o demasiado apretado y, por lo tanto, dañar el aislamiento.
Bobinados: Disposición Delta y Wye
Los bobinados se colocan en patrones concéntricos en cada uno de los brazos: los bobinados de LV están ubicados más cerca del núcleo, mientras que los bobinados de HV se colocan afuera con barreras de aislamiento en la dirección axial y radial dependiendo de la clase de voltaje. El bobinado de LV, que comprende la conexión neutra y la conexión wye, suele estar en forma helicoidal o en capas de cobre (o aluminio en modelos de menor costo), mientras que el bobinado de HV se encuentra en formas de capas o de disco hechas de cobre. La conexión delta se realiza para conectar los bobinados de HV entre sí. El lazo es la ruta de corriente para el tercer armónico y la corriente de secuencia cero. La conexión wye conecta los tres extremos del bobinado de LV con un punto neutro común conectado al terminal neutro. El material utilizado en el bobinado es importante ya que el cobre tiene menos resistencia y mejor resistencia a cortocircuitos en comparación con el aluminio de la misma sección transversal, aunque cuesta entre 10% y 20% más en la parte activa.
Sistema de Aislamiento y BIL
La aislación permite que el aparato soporte sobretensiones de conmutación, voltaje de frecuencia de potencia e impulsos de rayos. Las unidades aisladas en aceite utilizan papeles de celulosa envueltos alrededor de sus conductores como barreras; están empapadas en aceite mineral. En contraste, las unidades de tipo seco emplean materiales aislantes hechos de vidrio impregnado de epoxi o mica. El principal parámetro de aislamiento se llama BIL (nivel básico de aislamiento) que representa el voltaje de impulso máximo requerido para que una máquina funcione correctamente. El BIL depende de las clases de voltaje: el BIL para unidades clasificadas para operación a 12 kV es igual a 95 kV, el sistema clasificado para 24 kV necesita un BIL de no menos de 125-170 kV, mientras que el BIL requerido para sistemas clasificados para 36 kV puede estar entre 170 kV y 250 kV. Las distancias entre los devanados de LV y HV, las distancias de creepage para los terminales, y el aislamiento en los bordes de las bobinas satisfacen los requisitos de BIL. Sin embargo, los aparatos construidos utilizando un clearance de aislamiento inferior pueden pasar la prueba de rutina, aunque pueden fallar en la prueba de impulso, por lo que las pruebas dieléctricas descritas en IEC 60076-3 incluyen pruebas de impulso para todas las unidades que pueden soportar el nivel de aislamiento designado.
| Voltaje del sistema HV | Requisito típico de BIL | Prueba típica de frecuencia de potencia |
|---|---|---|
| Clase de 12 kV | 95 kV | 28 kV |
| Clase de 17.5 kV | 125 kV | 38 kV |
| Clase de 24 kV | 125–170 kV | 50 kV |
| Clase de 36 kV | 170–250 kV | 70 kV |
| Clase de 52 kV | 250–325 kV | 95 kV |
Tanque, Terminales y Conectores
El tanque sumergido en aceite es un contenedor metálico, que está equipado con un elemento de conservación soldado y un indicador de nivel de líquido o uno herméticamente sellado con un cojín de gas. El tanque tiene terminales de alta tensión, terminales de baja tensión, el cambiador de tomas, el indicador de temperatura del aceite, la válvula de alivio de presión, así como válvulas de drenaje y muestreo. Se utilizan paredes corrugadas en forma de dardo, radiadores de enfriamiento adicionales y placas de aletas para enfriar el aceite. La construcción adecuada del tanque requiere la soldadura de costuras críticas a lo largo de todo el camino. Debe ser arenado y pintado con un buen recubrimiento protector. Finalmente, el tanque debe ser probado en cuanto a presión interna para confirmar su estanqueidad.
Cambiadores de tomas: Fuera de circuito y Bajo carga
El cambiador de tomas cambia la relación de vueltas para manejar variaciones de voltaje en la red. La mayoría de los transformadores delta-wye de distribución vienen con un cambiador de tomas fuera de circuito con tomas de +/-2 x 2.5%, que solo se puede operar cuando el transformador está apagado. Este dispositivo es solo un mecanismo simple y confiable que tiene marcas claras de varias posiciones. Los transformadores más grandes o aquellos que trabajan en redes inestables, están equipados con un cambiador de tomas bajo carga (OLTC), que cambia la toma bajo carga trabajando a través de una cámara de arco en aceite (en el caso de unidades llenas de aceite). Este mecanismo es mucho más complejo y generalmente aumenta el precio en 10-25% y requiere algo de mantenimiento. En los sistemas delta-wye, las tomas generalmente están conectadas con el devanado delta de HV, que tiene una corriente menor y un deber de conmutación más benigno.
Diseño del sistema de enfriamiento
La cantidad de corriente que un dispositivo es capaz de transportar sin exceder los límites permisibles de temperatura depende de la refrigeración. Los dispositivos refrigerados por aceite utilizan el método ONAN, mediante el cual el aceite refrigerante circula por convección natural a través de barandillas o aletas. Por encima de un nivel de carga específico, se utiliza refrigeración forzada (llamada ONAF). Este método permite 20-33 %. El aumento de temperatura de este tipo de equipo está diseñado para ser de alrededor de 60-65 K, siendo la temperatura del entorno de trabajo de 40°C. Para dispositivos de tipo seco, la refrigeración se realiza mediante métodos de aire natural (AN) y aire forzado (AF), donde se mantiene una clase de temperatura específica proporcionando refrigeración.
| Clase de refrigeración | Descripción | Efecto de capacidad | Uso típico |
|---|---|---|---|
| ONAN | Oil-immersed, natural convection | Nameplate rating | Standard distribution |
| ONAF | Oil-immersed, forced air fans | +20–33% | High load factor, hot sites |
| OFAF | Forced oil and air | +40–60% | Larger power ratings |
| AN | Dry-type, natural air | Nameplate rating | Indoor installations |
| AF | Dry-type, forced air | +20–30% | Indoor peak loading |
How Construction Affects Performance and Reliability
| Construction feature | Efecto en el rendimiento |
|---|---|
| High-grade GOES core, mitered joints | Lower no-load loss and magnetizing current |
| Copper windings, correct conductor sizing | Lower load loss, better short-circuit strength |
| Tight radial and axial bracing | Withstands short-circuit forces without winding movement |
| Proper insulation clearances and drying | Passes impulse tests, no partial-discharge failure in service |
| Vacuum drying and oil impregnation | Removes moisture, extends insulation life |
| Corrosion protection on tank | Long service life in coastal and industrial atmospheres |
The setting up of the arrangement is confirmed in the course of the testing — the ratio, vector group as well as the phase displacement demonstrate the correctness of the delta-wye connection arrangement. However, the efficiency during a long time is the result of the solid design of the arrangement: a short-circuit operation causes a short-circuit impact, which is hundreds of times stronger than the weight of the windings, and only the correct bracing makes it possible to continue using the transformer after a fault occurs.
How to Evaluate Construction Quality When Buying
- Query about the core material type and the guaranteed no-load loss measurements based on the test report so as to validate with the tender prices.
- Look into the type of conducting material. Whether copper or aluminum is used, it has an impact on loss, the Short Circuit Ratings and costs of operation; so, you need to know the conductor cross-section and current density.
- Verify that short circuit withstand design is in compliance with IEC 60076-5, with calculations or test results for the stated fault situations.
- Examine the insulation level. Confirm that the BIL matches your voltage class and impulse testing is incorporated in the design tests.
- Check the drawings for winding configurations, stiffening, tank structure and bushings layout in the equipment layout before production.
- Make sure you have seen the tests. For high importance project request for observed routine tests or third party inspection – readiness of the contractor to which sends a quality signal.
Top Brands and Price Ranges
| Marca | País | Construction strength | Indicative price range (US$) |
|---|---|---|---|
| ABB | Suiza/Suecia | Mature design, full test scope | $4,000–$60,000 |
| Siemens | Alemania | IEC-compliant construction | $3,500–$55,000 |
| Schneider Electric | Francia | Dry-type cast resin expertise | $3,000–$45,000 |
| Hitachi Energy | Suiza | Utility-grade active parts | $4,500–$70,000 |
| Eaton | EE. UU. | North American distribution builds | $2,500–$42,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Transparent construction, custom builds | $3,000–$45,000 |
Prices are indicative of the distribution ratings and depend on the core grade, conductor, BIL, and attachments. ABB, Siemens, Schneider Electric, Hitachi Energy, and Eaton set the reference for construction and have fair drawings and test procedures. Jiangsu Subian Electric Power Co., Ltd caters to buyers who require the same construction method for less price — delta-wye transformers manufactured according to IEC 60076 specifications using high-grade grain-oriented cores, copper winding, mitered joints, and undergoing full factory testing covering routine tests such as ratio, vector group, impedance, losses, dielectric performance, and able to arrange witnessed tests or inspections by a third party. Subian gives invaluable drawings and test papers giving a detailed analysis of the construction quality, which is what the customer needs to compare a Chinese manufacture with a European one.See the manufacturing capability on the Subian Electric website.
Preguntas Frecuentes
Why is grain-oriented silicon steel used in transformer cores?
The processing of grain-oriented steel allows it to have first-class magnetic properties in one direction — the rolling direction. When designing transformers, engineers orient the laminations in a way that makes the flow of the magnetic field perpendicular to that direction, which leads to significant reduction of magnetizing current and no-load loss compared to the use of non-oriented steel. Correctly implemented mitered joints, as well as tight clamping, help in efficiency and reduce noise.
What does a Dyn11 construction look like physically?
The three high voltage windings are arranged in a closed delta formation on the inside of the tank, while the three low voltage windings share a neutral connection, which is led out to give rise to a fourth terminal outside. Once the winding is seen externally, it is noted that three HV bushings and four LV terminal (three lines and neutral) are visible. The order of winding on each person is LV- inner and HV-outer, where the tap changer is located at the HV side.
Are delta-wye transformers oil-immersed or dry-type?
Both. The outdoor distribution substations utilize oil-immersed systems because of their strength and efficiency while the indoor, underground and fire-sensitive ones prefer dry-type cast resin systems. The delta-wye electrical connection stays the same in both except for the insulation and cooling systems.
What is the difference between copper and aluminium windings in construction?
Copper has lower resistivity and higher mechanical strength as compared to aluminium, thus the copper wound unit has lower losses and optimum short-circuit capability at the same capacity rating. The active part of such machine costs around 10%–20% more. Aluminium is mostly used for budgetary reasons in distribution machines, which are usually scrutinised in terms of their first cost.
Can Subian provide construction drawings before ordering?
Yes. Jiangsu Subian Electric Power offers element arrangement drawings, connection diagrams as well as relevant information on key components as part of its technical proposal, while final manufacturing drawings may also be inspected before production. In case of important projects, the company can organize pre-production design reviews and the joint testing.
Referencias
- IEC 60076-1 — Power Transformers: General — the governing standard for rating, losses, and construction requirements.
- IEC 60076-3 — Insulation Levels and Dielectric Tests — defines BIL and dielectric test requirements by voltage class.
- IEC 60076-5 — Ability to Withstand Short Circuit — the standard for short-circuit withstand verification of the winding construction.
- NEMA TP-1 — Energy Efficiency for Distribution Transformers — efficiency benchmark tied to core construction quality.
- Hitachi Energy — Transformer Products — reference documentation on construction and testing from a leading manufacturer.
- UL 1561 — Dry-Type Transformer Safety Standard — safety standard relevant for cast resin construction.
Conclusión
According to the design features of delta-wye transformers, it is mostly not the nameplate that reveals such characteristics as efficiency, noise, fault tolerance, and service life of the transformer but the construction features of such transformer, which include core steel grade, mitered joints, winding conductor and arrangement, insulation clearances, bracing, tank, tap changer, and cooling. When reading a tender with these parameters taken into account and entering the tendering process, the bids become comparable, not in terms of price, but with respect to merit. One needs to follow the principle of requesting IEC 60076 test evidence and, if necessary, a witnessed test. Delta-wye transformers by Jiangsu Subian Electric Power are constructed from transparent materials and meet all standards.Review construction drawings and test data with the team through the official website before you commit to your next project.