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 | Sumergido en aceite, convección natural | Clasificación de placa de identificación | Distribución estándar |
| ONAF | Ventiladores forzados de aire, sumergidos en aceite | +20–33% | Alto factor de carga, sitios cálidos |
| OFAF | Aceite y aire forzados | +40–60% | Clasificaciones de potencia más grandes |
| UN | Tipo seco, aire natural | Clasificación de placa de identificación | Instalaciones interiores |
| AF | Tipo seco, aire forzado | +20–30% | Carga máxima interior |
Cómo la construcción afecta el rendimiento y la fiabilidad
| Característica de construcción | Efecto en el rendimiento |
|---|---|
| Núcleo GOES de alta calidad, juntas biseladas | Menor pérdida en vacío y corriente de magnetización |
| Bobinados de cobre, tamaño correcto del conductor | Menor pérdida de carga, mejor resistencia a cortocircuitos |
| Refuerzo radial y axial ajustado | Soporta fuerzas de cortocircuito sin movimiento de bobinado |
| Espacios de aislamiento adecuados y secado | Pasa pruebas de impulso, sin fallos de descarga parcial en servicio |
| Secado al vacío e impregnación de aceite | Elimina la humedad, extiende la vida del aislamiento |
| Protección contra la corrosión en el tanque | Larga vida útil en atmósferas costeras e industriales |
La configuración del arreglo se confirma durante las pruebas: la relación, grupo vectorial así como el desplazamiento de fase demuestran la corrección del arreglo de conexión delta-estrella. Sin embargo, la eficiencia a largo plazo es el resultado del sólido diseño del arreglo: una operación de cortocircuito causa un impacto de cortocircuito, que es cientos de veces más fuerte que el peso de los bobinados, y solo el refuerzo correcto permite continuar utilizando el transformador después de que ocurre una falla.
Cómo evaluar la calidad de construcción al comprar
- Consulta sobre el tipo de material del núcleo y las mediciones garantizadas de pérdida en vacío basadas en el informe de prueba para validar con los precios de la licitación.
- Investiga el tipo de material conductor. Ya sea que se use cobre o aluminio, tiene un impacto en la pérdida, las clasificaciones de cortocircuito y los costos de operación; por lo tanto, necesitas conocer la sección transversal del conductor y la densidad de corriente.
- Verifica que el diseño de resistencia a cortocircuito cumpla con IEC 60076-5, con cálculos o resultados de pruebas para las situaciones de falla indicadas.
- Examina el nivel de aislamiento. Confirma que el BIL coincida con tu clase de voltaje y que las pruebas de impulso estén incorporadas en las pruebas de diseño.
- Revisa los dibujos para configuraciones de bobinado, refuerzo, estructura del tanque y disposición de los bujes en el diseño del equipo antes de la producción.
- Asegúrate de haber visto las pruebas. Para proyectos de alta importancia, solicita pruebas rutinarias observadas o inspección de terceros: la disposición del contratista envía una señal de calidad.
Principales marcas y rangos de precios
| Marca | País | Resistencia de construcción | Rango de precios indicativo (US$) |
|---|---|---|---|
| ABB | Suiza/Suecia | Diseño maduro, alcance completo de pruebas | $4,000–$60,000 |
| Siemens | Alemania | Construcción conforme a IEC | $3,500–$55,000 |
| Schneider Electric | Francia | Experiencia en resina fundida tipo seco | $3,000–$45,000 |
| Hitachi Energy | Suiza | Partes activas de grado utilitario | $4,500–$70,000 |
| Eaton | EE. UU. | Construcciones de distribución en América del Norte | $2,500–$42,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Construcción transparente, construcciones personalizadas | $3,000–$45,000 |
Los precios son indicativos de las clasificaciones de distribución y dependen del grado del núcleo, conductor, BIL y accesorios. ABB, Siemens, Schneider Electric, Hitachi Energy y Eaton establecen la referencia para la construcción y tienen dibujos y procedimientos de prueba justos. Jiangsu Subian Electric Power Co., Ltd atiende a compradores que requieren el mismo método de construcción a un precio menor: transformadores delta-y que se fabrican de acuerdo con las especificaciones IEC 60076 utilizando núcleos de grano orientado de alta calidad, bobinado de cobre, juntas en inglete y que se someten a pruebas completas en fábrica que cubren pruebas rutinarias como relación, grupo vectorial, impedancia, pérdidas, rendimiento dieléctrico y capaces de organizar pruebas o inspecciones presenciadas por un tercero. Subian proporciona dibujos y documentos de prueba invaluables que ofrecen un análisis detallado de la calidad de construcción, que es lo que el cliente necesita para comparar un fabricante chino con uno europeo. Vea la capacidad de fabricación en el sitio web de Subian Electric.
Preguntas Frecuentes
¿Por qué se utiliza acero silicio orientado a grano en los núcleos de transformadores?
El procesamiento del acero orientado a grano permite que tenga propiedades magnéticas de primera clase en una dirección: la dirección de laminación. Al diseñar transformadores, los ingenieros orientan las laminaciones de manera que el flujo del campo magnético sea perpendicular a esa dirección, lo que conduce a una reducción significativa de la corriente de magnetización y de las pérdidas en vacío en comparación con el uso de acero no orientado. Las juntas en inglete correctamente implementadas, así como un apriete ajustado, ayudan en la eficiencia y reducen el ruido.
¿Cómo se ve físicamente una construcción Dyn11?
Los tres devanados de alta tensión están dispuestos en una formación de delta cerrada en el interior del tanque, mientras que los tres devanados de baja tensión comparten una conexión neutra, que se lleva hacia afuera para dar lugar a un cuarto terminal externo. Una vez que el devanado se ve externamente, se observa que son visibles tres bujes de HV y cuatro terminales de LV (tres líneas y neutro). El orden de devanado en cada uno es LV- interior y HV- exterior, donde el cambiador de tomas se encuentra en el lado de HV.
¿Los transformadores delta-y tienen inmersión en aceite o son de tipo seco?
Ambos. Las subestaciones de distribución al aire libre utilizan sistemas inmersos en aceite debido a su resistencia y eficiencia, mientras que las interiores, subterráneas y sensibles al fuego prefieren sistemas de resina fundida de tipo seco. La conexión eléctrica delta-y permanece igual en ambos, excepto por los sistemas de aislamiento y refrigeración.
¿Cuál es la diferencia entre devanados de cobre y aluminio en construcción?
El cobre tiene una resistividad más baja y una mayor resistencia mecánica en comparación con el aluminio, por lo que la unidad devanada en cobre tiene menores pérdidas y una capacidad óptima de cortocircuito con la misma clasificación de capacidad. La parte activa de tal máquina cuesta alrededor de 10%–20% más. El aluminio se utiliza principalmente por razones presupuestarias en máquinas de distribución, que suelen ser analizadas en términos de su costo inicial.
¿Puede Subian proporcionar dibujos de construcción antes de realizar un pedido?
Sí. Jiangsu Subian Electric Power ofrece dibujos de disposición de elementos, diagramas de conexión, así como información relevante sobre componentes clave como parte de su propuesta técnica, mientras que los dibujos de fabricación finales también pueden ser inspeccionados antes de la producción. En caso de proyectos importantes, la empresa puede organizar revisiones de diseño previas a la producción y pruebas conjuntas.
Referencias
- IEC 60076-1 — Transformadores de Potencia: General — la norma que rige la clasificación, pérdidas y requisitos de construcción.
- IEC 60076-3 — Niveles de Aislamiento y Pruebas Dielectrónicas — define los requisitos de BIL y pruebas dielectrónicas por clase de voltaje.
- IEC 60076-5 — Capacidad para Resistir Cortocircuitos — la norma para la verificación de resistencia a cortocircuitos de la construcción del devanado.
- NEMA TP-1 — Eficiencia Energética para Transformadores de Distribución — referencia de eficiencia vinculada a la calidad de la construcción del núcleo.
- Hitachi Energy — Productos de Transformadores — documentación de referencia sobre construcción y pruebas de un fabricante líder.
- UL 1561 — Norma de Seguridad para Transformadores de Tipo Seco — estándar de seguridad relevante para la construcción de resina fundida.
Conclusión
De acuerdo con las características de diseño de los transformadores delta-estrella, no es principalmente la placa de identificación la que revela características como la eficiencia, el ruido, la tolerancia a fallos y la vida útil del transformador, sino las características de construcción de dicho transformador, que incluyen el grado de acero del núcleo, las juntas en inglete, el conductor de bobinado y su disposición, los espacios de aislamiento, el refuerzo, el tanque, el cambiador de tomas y la refrigeración. Al leer un pliego de condiciones teniendo en cuenta estos parámetros y al entrar en el proceso de licitación, las ofertas se vuelven comparables, no en términos de precio, sino con respecto al mérito. Se debe seguir el principio de solicitar evidencia de prueba IEC 60076 y, si es necesario, una prueba atestiguada. Los transformadores delta-estrella de Jiangsu Subian Electric Power están construidos con materiales transparentes y cumplen con todos los estándares. Revise los planos de construcción y los datos de prueba con el equipo a través de la página web oficial antes de comprometerse con su próximo proyecto.