Cuando preguntas a cinco ingenieros la distinción entre un transformador de potencia y un transformador de distribución, obtienes cinco respuestas diferentes. En un proyecto, por ejemplo, un transformador montado en base de 2,500 kVA se llamará transformador de distribución, mientras que en otro proyecto ese mismo equipo pertenecerá a la categoría de transformadores de potencia pequeños. Este artículo examinará las definiciones en las normas, las implicaciones prácticas de esas definiciones y cómo identificar la categoría a la que pertenece un transformador dado según su placa de identificación, clase de enfriamiento o una imagen de la instalación en cuestión.
En resumen: Un transformador de potencia transmite corriente de alta capacidad desde el nivel de transmisión hasta el nivel de subtransmisión; sus niveles de voltaje estándar comienzan en 33 kV y superiores con un nivel de potencia de 500 kVA a cientos de MVA, y su construcción opera a máxima capacidad pasando 90-100% de carga. Por el contrario, un transformador de distribución convierte voltaje de medio a bajo en el rango de 35 kVA a 500 kVA con voltaje primario de 11 kV a 35 kV y voltaje secundario del transformador de aproximadamente 230-480 V, y su operación se basa en niveles de carga de 50% a 75% porque la carga no es constante. La empresa Subian produce transformadores sumergidos en aceite de clase de distribución y transformadores de tipo seco, por lo que su línea de productos consiste principalmente en transformadores de clase de distribución.
La forma más clara de diferenciarlos: posición en la cadena
Olvida la placa de identificación por un segundo y concéntrate en la ubicación de la unidad. La unidad de generación asciende al nivel de voltaje de transmisión en la instalación de generación. La unidad de transmisión lleva ese voltaje a través de la nación. Luego, la subtransmisión y la distribución primaria lo reducen paso a paso. El transformador que es responsable de la última disminución – el que alimenta un edificio o una calle – es un transformador de distribución independientemente de su kVA.
Todo lo anterior a la última disminución, comenzando desde la unidad de elevación del generador hasta la subestación de interconexión, es un transformador de potencia. No tiene un enlace directo con ningún consumidor. La luz no disminuye para una sola persona cuando se enciende un transformador de potencia; sin embargo, para toda una región, sí. Este único hecho sobre su conexión con los usuarios finales explica casi cada desviación de diseño desde el ciclo de trabajo hasta la importancia dada al tamaño de la unidad.
Voltaje y capacidad: donde la industria traza la línea
IEEE 141 describe la división de capacidad tradicional. Según ella, la capacidad para el tipo de distribución se encuentra entre 3 y 500 kVA, mientras que el tipo de potencia cubre todas las capacidades a partir de 500 kVA. De manera similar, la norma IEEE C57.12.00, que establece los requisitos generales para transformadores sumergidos en líquido, tiene el mismo valor de demarcación para el tipo de transformadores. Esto significa que este sigue siendo el estándar aceptado, pero hay ligeras desviaciones de él entre los fabricantes y las empresas que realizan el trabajo real en el campo.
| Parámetro | Transformador de potencia | Transformador de distribución |
|---|---|---|
| Voltaje primario | 33 kV a 765 kV | 11-35 kV (clases 15 / 25 / 35 kV en EE. UU.) |
| Voltaje secundario | 33 kV a 220 kV en nodos de transmisión | 230-480 V (480/277 V, 208/120 V, 400/230 V) |
| Capacidad nominal | Por encima de 500 kVA; comúnmente 5-500 MVA | 3-500 kVA según IEEE 141; hasta 2,500 kVA en la práctica |
| Clase de voltaje | HV y EHV | MV primario, LV secundario |
| Donde vive | Estaciones generadoras, subestaciones de transmisión, interconexiones | Postes, plataformas, bóvedas, salas eléctricas interiores |
| A quién sirve | Redes y servicios públicos | Usuarios finales, edificios, industria ligera |
En este dominio, la categoría de voltaje se considera la herramienta de identificación más confiable. Si el voltaje secundario que se utiliza cae dentro de los rangos de voltaje de utilización, estamos tratando con un transformador de distribución. Por el contrario, si ambos devanados operan a nivel de transmisión, estamos tratando con un transformador de potencia, aunque los dibujos puedan indicar que es muy pequeño en tamaño.
Ciclo de trabajo y eficiencia: la diferencia que realmente cuesta dinero
La gente subestima casi por completo la importancia de las pérdidas de hierro y cobre. Las pérdidas de hierro (sin carga) ocurren continuamente 24 horas al día, y las pérdidas de cobre (carga) dependen del cuadrado de la corriente instantáneamente. Los transformadores de potencia trabajan muy cerca de sus calificaciones de placa continuamente, por eso el diseñador iguala las pérdidas de cobre y hierro a carga máxima y hace que la densidad de flujo sea lo suficientemente alta para disminuir el núcleo. Los transformadores de distribución trabajan continuamente pero proporcionan energía solo durante las horas pico, por eso el diseñador trabaja en minimizar las pérdidas de hierro y acepta el hecho de que las pérdidas de cobre prevalecerán a carga máxima. La eficiencia del transformador de distribución lo sitúa en algún lugar alrededor de 50%-75%.
Como resultado, la eficiencia ordinaria calculada por medio de la carga completa es totalmente incorrecta para el dispositivo de distribución. La eficiencia durante todo el día calculada como la energía total de salida durante 24 horas dividida por la energía total de entrada del transformador es la mejor opción para esta situación. El transformador de 100kVA que tiene 300W de pérdidas de hierro y 1,200W de pérdidas de cobre a carga completa puede demostrar 98.7% de eficiencia durante todo el día a lo largo del ciclo de carga realista a pesar de la fluctuación de la eficiencia instantánea.
Por eso, la potencia y su correcto dimensionamiento son de suma importancia en el lado de distribución más de lo que normalmente se espera. Si la unidad está sobredimensionada, las pérdidas de hierro operan en la unidad que nunca funciona. Si el transformador está subdimensionado, las pérdidas de cobre traen penalizaciones en cada pico. El perfil de carga, no solo la demanda máxima, es lo que debe impulsar la selección de kVA, y un cálculo de carga adecuado generalmente resultará en una unidad más pequeña de lo que sugiere la carga conectada.
Diferencias de diseño que puedes ver y medir
Al acercarse a un transformador, se pueden ver los muchos elementos de diseño. Los transformadores de potencia son grandes contenedores llenos de aceite equipados con conservadores, radiadores, respiraderos y, a veces, múltiples métodos de enfriamiento, comenzando con el enfriamiento natural conocido como ONAN, y pasando a ONAF, OFAF o OFWF dependiendo de la carga y la temperatura circundante. La elección de cuál de esas dos familias se utiliza a menudo se decide por la ubicación de la unidad en lugar de por la carga, porque los transformadores sumergidos en aceite y los transformadores de tipo seco tienen obligaciones completamente diferentes de separación de incendios y mantenimiento.
| Aspecto de diseño | Transformador de potencia | Transformador de distribución |
|---|---|---|
| Clase de refrigeración | ONAN / ONAF / OFAF / OFWF, a veces agua | ONAN o tipo seco (AN/AF) |
| Densidad de flujo | Más alta, funcionando cerca de la rodilla de la curva B-H | Más baja, intercambiada por eficiencia durante todo el día |
| Cambiador de tomas | Cambiador de tomas bajo carga (OLTC) común, a menudo ±8 pasos o más | Cambiador de tomas fuera de circuito (OCTC), típicamente ±2 × 2.5% |
| Impedancia (%Z) | Seleccionado para coordinación de fallas y estabilidad de la red, a menudo 8-20% | Seleccionado para limitar la corriente de falla y controlar la caída de voltaje, comúnmente 2.5-7.5% |
| Protección | Protección diferencial, relé Buchholz, DGA, integración SCADA | Fusibles de HV, pararrayos, medidor de temperatura, detección remota ocasional |
| Masa | Decenas a cientos de toneladas sobre cimientos permanentes | Montable en poste o base, ocasionalmente bajo 100 kg tipo seco |
| Vida útil típica | 25-40 años | 15-25 años |
La primera de estas filas trata sobre el cambiador de tomas: un OLTC significa que el transformador puede controlar el voltaje mientras está energizado, lo cual es útil si una unidad necesita controlar el perfil de voltaje en toda la región. Para el transformador de distribución, se configurará en la puesta en marcha y luego se olvidará, ya que nadie querría desconectar un vecindario solo para ajustar la toma durante la carga máxima. La siguiente fila discute la impedancia. Su valor se elige para que la corriente de falla que llega al equipo de servicio del cliente esté limitada. Esta también es la razón por la cual %Z para unidades de 500 kVA es típicamente más bajo que el de un transformador de potencia del mismo tamaño.
Tipos y subclases en cada lado
Ninguna categoría es monolítica, y las subclases te indican para qué es la unidad antes de que leas una sola calificación. Montado en pad y tipo seco transformador de distribución Las configuraciones representan la gran mayoría de las consultas industriales y comerciales, por lo que esas son las dos filas que vale la pena conocer adecuadamente.
| Clase | Tipos comunes | Uso típico |
|---|---|---|
| Potencia | Elevador de generador (GSU) | Aumenta la salida del generador a voltaje de transmisión |
| Autotransformador de transmisión | Interconecta dos niveles de voltaje de transmisión | |
| Transformador de interconexión de subestación / sistema | Reduce la transmisión a sub-transmisión | |
| Distribución | Montado en poste (aéreo) | Áreas residenciales con líneas aéreas; IEEE C57.12.20 |
| Montado en base | Distribución subterránea suburbana y comercial; IEEE C57.12.34 | |
| Sumergible / bóveda | Subterráneo urbano, sujeto a inundaciones | |
| Tipo seco | Uso en interiores — hospitales, centros de datos, salas eléctricas de gran altura |
La fila de tipo seco también es importante. No hay aceite que ignitar en primer lugar y no se necesita contención, lo que hace que los transformadores de distribución de tipo seco sean el mejor candidato para uso en interiores donde un transformador lleno de líquido tendría que cumplir con las normas de separación contra incendios. Sin embargo, la desventaja es el nivel de ruido y el hecho de que los transformadores de tipo seco están destinados principalmente a calificaciones más bajas en el mismo espacio. Por lo tanto, generalmente es el código de construcción y no el ingeniero quien decide poner un transformador de tipo seco en lugar de uno lleno de líquido.
Normas y pruebas: qué cambia con la clase
Las clases tienen los mismos orígenes, aunque sus contenidos difieren entre sí. IEEE C57.12.00 trata los requisitos básicos para transformadores líquidos. IEEE C57.12.10 está destinado a transformadores de potencia, mientras que IEEE C57.12.20 está destinado a transformadores aéreos y IEEE C57.12.34 está destinado a transformadores montados en pad. Internacionalmente, el papel de estos documentos es asumido por IEC 60076 y las normas ANSI/IEEE se mencionan en caso de participación de servicios públicos estadounidenses.
Hay dos acciones regulatorias que pueden tomarse con respecto a un equipo de distribución que rara vez se abordan en el caso de la especificación de transformadores de potencia. La primera es la regulación de eficiencia energética; en EE. UU., las regulaciones de eficiencia energética del DOE se aplican a equipos de distribución y la razón es que es necesario indicar las pérdidas de carga y sin carga probadas con las tolerancias relevantes. Esa redacción convierte una hoja de especificaciones de transformador en un documento contractual en lugar de un folleto, y las cifras de pérdida garantizadas son contra las que se mide la prueba de fábrica. Otro beneficio es que la producción de las unidades de distribución se lleva a cabo en masa, por lo que están sujetas a la misma conformidad para todos los usos en lugar de tener que someterse a diferentes verificaciones en el sitio. Esto lleva al hecho de que es mucho más importante obtener el certificado de pruebas que conseguir un folleto de marketing.
Cualquiera que sea el tipo que esté comprando, necesita solicitar la lista de pruebas de rutina de acuerdo con las especificaciones: parámetros de relación y fase, impedancia de cortocircuito (medición de impedancia), pérdidas en vacío, pérdidas en carga y valores de resistencia de aislamiento. Pida el certificado de prueba de rutina real que corresponda con el número de serie en lugar de un informe de prueba de tipo emitido para la familia de productos.
Donde el límite realmente se difumina
Aquí hay tres puntos que hacen que la línea de 500 kVA sea confusa para las personas involucradas en la asistencia de producción.
Primero, gran distribución. Las utilidades piden transformadores montados en pad de 1,000, 1,500 o 2,500 kVA en cualquier alimentador de distribución. Según la definición de IEEE 141, estas unidades se clasifican como transformadores de potencia, pero sus capacidades funcionales, instaladas e intenciones de diseño deberían sugerir que pertenecen a la categoría de transformadores de distribución. En términos generales, se puede decir que la práctica en los EE. UU. está más enfocada en la funcionalidad que en la clasificación.
Segundo, transformadores elevadores en instalaciones generadoras. Por ejemplo, un transformador de 1,500 kVA que eleva el voltaje de 480V a 13.8 kV en una instalación solar puede ser un transformador de potencia o de distribución. Todo depende de la especificación hecha por un cliente con respecto a las características operativas requeridas de una unidad, incluyendo clase de enfriamiento, presencia de cambiador de tomas, nivel de impedancia, etc.
Tercero, grupos vectoriales e interconexión. Una vez que está conectando transformadores en paralelo, la compatibilidad del grupo vectorial se convierte en la restricción principal independientemente de la clase, por lo que dos unidades de calificación similar de diferentes clases pueden ser eléctricamente incompatibles mientras que dos unidades de diferentes décadas funcionan felizmente en paralelo. Si se equivoca con el grupo vectorial, la corriente circulante lo encontrará, así que esta es una cuestión de configuración, no de clase.
¿Cuál necesita realmente?
Comience con los requisitos de la carga. Si el voltaje secundario corresponde con el utilizado por el equipo, necesitará usar un transformador de distribución, lo que significa que el proceso de selección será un cálculo simple basado en el perfil de carga, donde a través de los kVA, se puede evaluar la carga máxima, el crecimiento futuro de la carga y elegir el sistema de enfriamiento y la solución de montaje. Si en ambos lados del transformador el voltaje es el voltaje actual, entonces el transformador se considera un transformador de potencia porque el propósito principal de la unidad es conectar los sistemas en lugar de cumplir su función según la carga. Esto significa que el proceso de especificación dependerá del nivel de falla y la impedancia.
Hay dos errores principales que suelen cometerse al comprar un transformador: el primero es comprar un transformador subdimensionado que no puede atender las cargas máximas, y el segundo es comprar una unidad con especificaciones de transformador de potencia, cuando en realidad es posible comprar un transformador de distribución, que también cubrirá la carga.
El problema se puede evitar realizando un estudio exhaustivo antes de tomar decisiones de compra.
Subian produce una gama de productos en el segmento de equipos de distribución, como transformadores de distribución, transformadores de instrumentación y sistemas de puesta a tierra neutra. La empresa no tiene transformadores de potencia en stock y se lo informaremos a los clientes en caso de un proyecto que necesite uno. En caso de que sea necesario crear un perfil de carga, cumpliremos con este requisito junto con los resultados de las pruebas necesarias.
Preguntas Frecuentes
¿Cuáles son los cuatro tipos principales de transformadores?
Hay cuatro categorías bien conocidas de transformadores basadas en su principio de funcionamiento. La clasificación más útil para los compradores segmenta los transformadores en transformador de potencia, transformador de distribución, transformador de instrumentación (de corriente y de voltaje) y transformador de tipo seco. En la mayoría de los casos, los proyectos industriales implican el uso no de transformadores de potencia, sino de los últimos tres tipos de transformadores.
¿Cuál es el propósito de un transformador de distribución?
Esta etapa realiza la última reducción de voltaje antes de que la electricidad llegue al usuario final, ya que reduce el voltaje medio del distribuidor a un voltaje de utilización como 480/277 V, 208/120 V o 400/230 V. Dado que se conecta directamente con las cargas aquí, está diseñado para ser eficiente en cualquier punto de la curva de carga que varía desde unos pocos por ciento hasta la plena capacidad todos los días.
¿Cuál es la diferencia entre un transformador y una fuente de alimentación?
Un transformador altera el voltaje de corriente alterna (CA) basándose únicamente en la inducción electromagnética; no hace nada más, ya que los transformadores no proporcionan salida regulada ni electricidad rectificada, lo que solo trae voltaje de CA alterado. Una fuente de alimentación emplea un transformador o una etapa de conmutación junto con componentes responsables de los procesos de rectificación, filtrado y regulación; por lo tanto, es capaz de generar electricidad de la calidad requerida para asegurar que la electrónica pueda recibir una señal de entrada constante.
¿Cuáles son los diferentes tipos de transformadores de distribución?
Las unidades aéreas están diseñadas para ser montadas en postes, los tipos montados en base se utilizan en distribuciones subterráneas, los tipos de bóveda o sumergibles pueden emplearse para dichos propósitos, y los tipos secos pueden usarse en interiores. Otro aspecto es que todas estas categorías tienen tipos monofásicos y trifásicos. El tipo de montaje preferido a menudo se decide por la localidad, las especificaciones y requisitos para la unidad, así como las prácticas de la empresa de servicios local.
¿Se puede usar un transformador de distribución como un transformador de potencia?
No de manera segura al retroceder. Una unidad de distribución no está construida para las tensiones, corrientes de cortocircuito y aplicaciones de carga continua de las instalaciones de transmisión. Un fallo en el diseño llevará a una emergencia cuando se use aquí, ya que las impedancias y configuraciones de protección de los otros elementos no serán válidas.
¿Un transformador de potencia siempre tiene un OLTC?
Generalmente, sin embargo no siempre. El cambio de tomas bajo carga es prevalente ya que los transformadores de potencia regulan frecuentemente el estado de voltaje de toda la red. Algunas unidades de interconexión y generadores de elevación utilizan cambiadores de tomas fuera de circuito o relaciones fijas combinadas con regulación adicional, haciendo que las especificaciones del OEM sean la única fuente de referencia firme.
Referencias
- IEEE — C57.12.00 Requisitos Generales para Transformadores de Distribución, Potencia y Regulación Sumergidos en Líquido
- IEEE — C57.12.20 Transformadores de Distribución de Tipo Aéreo
- IEEE — C57.12.34 Transformadores de Distribución de Tipo Compartimentado Montados en Base
- IEEE — IEEE 141 Práctica Recomendada para la Distribución de Energía Eléctrica para Plantas Industriales
- IEC — Serie de Transformadores de Potencia IEC 60076
- Departamento de Energía de EE. UU. — Normas de conservación de energía para transformadores de distribución
- UL Solutions — Referencia de listado y certificación de transformadores
Conclusión
La interpretación simplificada indica que un: Transformador de transmisión conecta sistemas a voltajes de transmisión y está diseñado para uso continuo a plena capacidad; Transformador de distribución completa la reducción final de voltaje antes de la distribución y está diseñado para un uso variado; Si bien el tamaño proporciona una guía decente a un nivel de 500kVA, en realidad son la categoría de voltaje y los ciclos de trabajo los que demuestran ser las mejores referencias en la práctica.
En la mayoría de los casos, sin embargo, el trabajo real de los usuarios se lleva a cabo en el lado de distribución, donde se realizan las cuestiones relacionadas con la adaptación del transformador al perfil de carga, la refrigeración y la configuración de montaje, así como la verificación de pérdidas en relación con los requisitos de eficiencia establecidos. Si se ocupa de un proyecto de 1,000-2,500 kVA que sobrepasa la línea entre las dos categorías, asegúrese de que la especificación esté redactada de acuerdo con una función en lugar de un tipo, y exija un certificado de prueba de rutina antes de liberar el equipo de la fábrica.