Daños inducidos por armónicos en transformadores de tipo seco y contramedidas

La contaminación armónica se ha convertido en una gran amenaza para la operación segura de los transformadores de tipo seco a medida que las cargas no lineales se extienden por las redes eléctricas. Este artículo explica cómo los armónicos dañan los transformadores de tipo seco y qué se puede hacer para mantener su funcionamiento seguro.

Transformador de potencia de tipo seco con devanados de epoxi rojo y base de montaje azul

Daños Causados por los Armónicos

• Aumento de pérdidas y elevación anormal de temperatura. Las corrientes armónicas intensifican los efectos pelicular y de proximidad en los devanados del transformador. La resistencia de corriente alterna aumenta, por lo que la pérdida en el cobre se incrementa notablemente, y el flujo armónico de alta frecuencia también aumenta las pérdidas por corrientes parásitas y por histéresis en el núcleo: la pérdida por corrientes parásitas crece aproximadamente con el cuadrado de la frecuencia, y la pérdida por histéresis aproximadamente con la frecuencia. Estas pérdidas adicionales se disipan en forma de calor, elevando la temperatura de operación a niveles anormalmente altos.
• Envejecimiento más rápido del aislamiento y menor vida útil. Los transformadores de tipo seco se enfrían por convección de aire (refrigeración por aire natural AN o refrigeración por aire forzado AF), por lo que son sensibles a la temperatura. La alta temperatura sostenida acelera el envejecimiento térmico de los materiales aislantes como la resina epoxi y el papel Nomex. Según el modelo de envejecimiento de la norma IEC 60076-12:2008, la tasa de envejecimiento del aislamiento aumenta exponencialmente con la temperatura, duplicándose aproximadamente por cada aumento de 6 K, lo que incrementa enormemente el riesgo de fallo.
• Capacidad de carga reducida (se requiere una reducción de potencia). Dado que los armónicos generan calor adicional, el transformador ya no puede entregar su potencia nominal de placa y debe operar con una carga menor. Un transformador seleccionado con la misma capacidad nominal de placa bajo condiciones de armónicos en realidad puede soportar menos carga, lo que reduce la utilización de la capacidad y desperdicia el valor del activo.
• Mayor vibración y ruido. Los campos magnéticos armónicos alteran las componentes de frecuencia de la magnetostricción del núcleo y pueden excitar la resonancia en las partes estructurales, haciendo que el transformador sea notablemente más ruidoso, a menudo con un chillido de alta frecuencia. La vibración a largo plazo también puede aflojar los sujetadores o distorsionar los devanados.

Estrategias de Mitigación

Normas de referencia

• IEC 60076-12:2008 — Transformadores de potencia – Parte 12: Guía de carga para transformadores de potencia de tipo seco
• IEC 60364-5-54 — Instalaciones eléctricas de baja tensión – Parte 5-54: Selección e instalación de equipos eléctricos – Esquemas de puesta a tierra y conductores de protección
• IEC 61936-1:2021 — Instalaciones eléctricas de potencia con tensión superior a 1 kV CA – Parte 1: Reglas comunes

Resumen

Los armónicos son el “asesino invisible” de los transformadores de tipo seco: el sobrecalentamiento que provocan acelera el envejecimiento del aislamiento, y dicho envejecimiento es acumulativo e irreversible. Ninguna medida por sí sola es suficiente; se necesita un enfoque integral: idealmente, una conexión Dyn11 o un transformador con factor K en la etapa de diseño, y filtros activos o reactores correctamente configurados en servicio.

Dicha mitigación no solo elimina los riesgos de seguridad, sino que también mejora la eficiencia operativa y la vida útil, manteniendo el sistema de potencia estable y confiable.

Editado a partir de: Leon