Pruebas de Rendimiento Térmico y Mecánico de Transformadores de Distribución: Garantizando Fiabilidad y Longevidad

Introducción

En el complejo panorama de la distribución de energía, los transformadores de distribución desempeñan un papel crucial. Estos transformadores tienen la tarea de reducir el voltaje desde los niveles de distribución primaria hasta los voltajes de utilización adecuados para los usuarios finales. Su funcionamiento correcto es fundamental para mantener una red de energía estable y eficiente. Este artículo se adentra en dos aspectos esenciales de la evaluación de los transformadores de distribución: las pruebas de rendimiento térmico y mecánico, mientras también explora cómo prevenir interrupciones del servicio y gestionar variaciones de voltaje.

Pruebas de Rendimiento Térmico de Transformadores de Distribución

La Importancia de la Inspección Térmica

Los transformadores de distribución generan calor durante su operación. El calor se produce principalmente debido a las pérdidas en los devanados y la histeresis del núcleo dentro de estos transformadores. La acumulación incontrolada de calor en los transformadores puede llevar a la degradación del aislamiento, acelerar el envejecimiento de los transformadores y representar un riesgo significativo de fallos catastróficos. Por lo tanto, las inspecciones térmicas regulares de los transformadores son de suma importancia. Estas inspecciones, que incluyen el monitoreo de temperatura y la detección de puntos calientes en los transformadores, actúan como sistemas de alerta temprana. Al identificar anomalías térmicas en los transformadores de manera oportuna, los técnicos pueden prevenir averías y garantizar la entrega ininterrumpida de energía a través de la red de distribución.

Componentes Clave de Pruebas Térmicas para Transformadores

Varias pruebas forman la base de las inspecciones de rendimiento térmico para transformadores de distribución:

• Prueba de Elevación de Temperatura: Una inspección fundamental para transformadores, esta prueba mide el aumento de temperatura en los devanados y el aceite de los transformadores bajo carga nominal. Las desviaciones de los estándares establecidos en los transformadores señalan posibles problemas como enfriamiento ineficiente o problemas de resistencia interna. Estos hallazgos promueven una inspección más cercana de componentes como ventiladores, aletas o niveles de refrigerante en los transformadores.

• Inspección por Imagen Térmica: Se emplean cámaras infrarrojas en esta técnica de inspección no invasiva para transformadores. Mapean las temperaturas de la superficie de los transformadores, destacando puntos calientes ocultos, que podrían ser debidos a conexiones sueltas o conductos bloqueados dentro de los transformadores. Esto permite reparaciones dirigidas en los transformadores antes de que ocurra daño al aislamiento.

• Análisis de Temperatura del Aceite: La toma de muestras y pruebas de la viscosidad y contenido ácido del aceite del transformador proporcionan información sobre los niveles de estrés térmico experimentados por los transformadores. Un aumento de la acidez en el aceite de los transformadores indica un calentamiento excesivo, lo que desencadena una inspección de las fuentes de calor y mecanismos de enfriamiento dentro de los transformadores.

Protocolos y Estándares de Inspección para Transformadores

Estándares como IEEE C57.12.90 e IEC 60076 mandan inspecciones térmicas sistemáticas de transformadores. Durante las pruebas, los técnicos simulan condiciones de carga total en los transformadores mientras monitorean de cerca los gradientes de temperatura. Por ejemplo, una inspección de elevación de temperatura en transformadores requiere estabilizar los transformadores durante varias horas antes de registrar las lecturas. La documentación detallada de cada inspección de transformadores, incluyendo las condiciones ambientales, duraciones de las pruebas y perfiles térmicos, facilita el análisis de tendencias de los transformadores a lo largo del tiempo.

Frecuencia y Estrategias Adaptativas para Inspecciones de Transformadores

La frecuencia de las inspecciones térmicas de transformadores depende de varios factores, como la variabilidad de la carga y las condiciones ambientales. Los transformadores de distribución en áreas urbanas con cargas fluctuantes pueden requerir inspecciones mensuales, mientras que aquellos en áreas rurales pueden bastar con controles trimestrales. En climas cálidos, los intervalos entre las inspecciones térmicas de transformadores se acortan para contrarrestar los efectos del estrés térmico. Los sistemas de monitoreo avanzados ahora permiten inspecciones térmicas continuas de transformadores a través de sensores integrados, que transmiten datos en tiempo real de los transformadores a los centros de control.

Superar Desafíos de Inspección en Transformadores

Las inspecciones térmicas de transformadores enfrentan ciertos desafíos. Notablemente, pueden ocurrir falsos positivos debido a picos de carga transitoria en transformadores. Para mitigar esto, los técnicos correlacionan los datos térmicos con parámetros eléctricos, como las corrientes de carga en transformadores. Además, acceder a componentes difíciles de alcanzar, como los devanados internos en transformadores, requiere experiencia especializada. Algunas inspecciones de transformadores requieren el drenaje de aceite, lo que implica un estricto cumplimiento de protocolos de seguridad meticulosos. La calibración regular de los sensores térmicos en transformadores asegura resultados de inspección precisos.

Integración de la Inspección Térmica con el Mantenimiento de Transformadores

Las inspecciones térmicas de transformadores sirven como un puente entre la recopilación de datos y las acciones de mantenimiento. Un informe de inspección completo de transformadores, que señala puntos calientes, ineficiencias de enfriamiento o degradación del aceite en transformadores, guía intervenciones inmediatas. Por ejemplo, si una inspección por imagen térmica revela una aleta de enfriamiento bloqueada en un transformador, la limpieza o reemplazo se convierte en una prioridad. Al incorporar las inspecciones térmicas en los horarios de mantenimiento preventivo de transformadores, los operadores pueden extender la vida útil de los transformadores y reducir las vulnerabilidades de la red.

Pruebas de Rendimiento Mecánico de Transformadores de Distribución

La Indispensabilidad de la Inspección Mecánica para Transformadores

Los transformadores de distribución están expuestos a tensiones mecánicas a lo largo de su ciclo de vida. Los fallos eléctricos pueden generar fuerzas electromagnéticas intensas que pueden distorsionar los devanados de los transformadores. Además, la actividad sísmica o el manejo brusco durante el transporte pueden dañar los componentes internos de los transformadores. Las inspecciones mecánicas regulares, que van desde chequeos visuales hasta pruebas dinámicas de transformadores, son esenciales para detectar defectos ocultos. Al identificar debilidades mecánicas temprano en los transformadores, los operadores pueden protegerse contra roturas súbitas que podrían interrumpir el suministro de energía y poner en peligro la infraestructura general que depende de estos transformadores.

Componentes Clave de Pruebas Mecánicas para Transformadores

Varias pruebas son integrales a las inspecciones de rendimiento mecánico de transformadores de distribución:

• Prueba de Impulso de Cortocircuito: Esta inspección simula condiciones de fallo para evaluar la capacidad de los transformadores para resistir fuerzas electromagnéticas. Las desviaciones en la impedancia o el desplazamiento de los devanados en los transformadores indican estrés mecánico, lo que provoca una inspección de las estructuras de apriete y marcos de soporte dentro de los transformadores.

• Inspección de Análisis de Vibraciones: Se utilizan sensores para monitorear las vibraciones durante la operación de los transformadores. Frecuencias anormales detectadas en los transformadores indican problemas como partes sueltas, núcleos desalineados o ventiladores de enfriamiento dañados. Este método de inspección no invasivo ayuda a los técnicos a identificar y corregir problemas mecánicos en los transformadores antes de que se agraven.

• Prueba de Impacto Mecánico: Aplicada durante el proceso de fabricación o después del transporte de los transformadores, esta prueba evalúa la resistencia de los transformadores a impactos. Pruebas de caída o simulaciones sísmicas revelan vulnerabilidades en componentes como el tanque, los terminales o las conexiones de los transformadores, lo que desencadena inspecciones de uniones críticas.

Protocolos y Estándares de Inspección para Transformadores

Estándares como IEEE C57.12.90 e IEC 61378 mandan inspecciones mecánicas rigurosas de transformadores. Durante las pruebas, los técnicos siguen procedimientos precisos. Por ejemplo, las pruebas de cortocircuito en transformadores requieren inyecciones de corriente controladas mientras se monitorean de cerca las respuestas mecánicas de los transformadores. La documentación detallada de cada inspección de los transformadores, incluyendo parámetros de prueba, deformaciones observadas y recomendaciones de reparación, construye un registro histórico para futuros análisis de los transformadores.

Frecuencia y Adaptación Contextual para Inspecciones de Transformadores

La frecuencia de las inspecciones mecánicas de transformadores varía según los escenarios de uso. Los transformadores de distribución en regiones propensas a terremotos pueden someterse a inspecciones de vibración trimestrales, mientras que aquellos en entornos estables podrían bastar con controles anuales. Los transformadores recién instalados a menudo reciben inspecciones inmediatas post-transporte para verificar su integridad. Los sistemas de monitoreo avanzados ahora permiten inspecciones mecánicas continuas de transformadores a través de sensores de tensión y acelerómetros integrados.

Superar Desafíos de Inspección en Transformadores

Las inspecciones mecánicas de transformadores vienen con sus propias complejidades. Detectar daños internos sin desarmar los transformadores es un obstáculo significativo. Algunas inspecciones, como la prueba ultrasónica para detectar grietas ocultas en los transformadores, requieren experiencia especializada. Además, diferenciar el desgaste normal de la degradación anormal en los transformadores demanda experiencia. Para abordar estos desafíos, los técnicos combinan múltiples métodos de inspección, como el análisis de vibraciones con inspecciones visuales, y aprovechan los datos históricos para evaluaciones comparativas de los transformadores.

Integración de la Inspección Mecánica con el Mantenimiento de Transformadores

Las inspecciones mecánicas de transformadores sirven como un vínculo crucial entre el diagnóstico y la acción. Un informe de inspección completo de los transformadores, que señala problemas como tuercas sueltas, devanados deformados o soportes comprometidos, dicta reparaciones urgentes o reemplazos de componentes. Por ejemplo, si una inspección de vibraciones revela un núcleo desalineado en un transformador, la realineación y el retightening se convierten en prioridades principales. Al incorporar las inspecciones mecánicas en los horarios de mantenimiento preventivo de los transformadores, los operadores pueden extender la vida útil de los transformadores y fortalecer la resiliencia de la red.

Prevención de Interrupción del Servicio en Transformadores de Distribución

Cómo Funcionan los Transformadores, Secundarios y Fusibles

Los transformadores de distribución reducen el voltaje desde el voltaje de distribución o alimentación primaria hasta el voltaje de utilización. Están conectados a la alimentación primaria, subalimentaciones y laterales a través de fusibles primarios o cortacircuitos con fusible. El fusible primario desconecta su transformador de distribución asociado de la alimentación primaria cuando ocurre un fallo en el transformador o un fallo de circuito secundario de baja impedancia. Los cortacircuitos con fusible, que normalmente están cerrados, proporcionan un medio conveniente para desconectar pequeños transformadores de distribución para su inspección y mantenimiento.

La protección satisfactoria contra sobrecargas de un transformador de distribución no se puede lograr solo con un fusible primario. Esto se debe a la diferencia en la forma de su curva de corriente-tiempo y la curva de corriente-tiempo segura de un transformador de distribución. Si se utiliza un fusible lo suficientemente pequeño para ofrecer protección completa contra sobrecargas para el transformador, gran parte de la valiosa capacidad de sobrecarga del transformador se pierde ya que el fusible se funde prematuramente. Un fusible tan pequeño también se funde con frecuencia innecesariamente en corrientes de sobretensión. Por lo tanto, un fusible primario debe seleccionarse basándose en proporcionar solo protección contra cortocircuitos, con su corriente mínima de fusión generalmente superando el 200% de la corriente nominal completa de su transformador asociado.

Los transformadores de distribución conectados a alimentaciones aéreas de cable abierto a menudo están sujetos a perturbaciones severas por rayos. Para minimizar la ruptura del aislamiento y los fallos de transformadores por rayos, se utilizan comúnmente pararrayos con estos transformadores.

Los conductores secundarios de un transformador de distribución generalmente están conectados de manera sólida a circuitos secundarios radiales, de los cuales se derivan los servicios de los consumidores. Esto significa que el transformador carece de protección contra sobrecargas y fallos de alta impedancia en sus circuitos secundarios. Relativamente pocos transformadores de distribución se queman por sobrecargas, principalmente porque a menudo no se utilizan completamente hasta su capacidad de sobrecarga. Otro factor que contribuye a la baja cantidad de fallos relacionados con sobrecargas es la realización frecuente de verificaciones de carga y medidas correctivas antes de que ocurran sobrecargas peligrosas. Sin embargo, los fallos de alta impedancia en sus circuitos secundarios probablemente causen más fallos de transformadores de distribución que las sobrecargas, especialmente en áreas con malas condiciones de árboles.

Los fusibles en los conductores secundarios de los transformadores de distribución son poco efectivos para prevenir quemaduras de transformadores, por razones similares. La forma correcta de obtener una protección satisfactoria para un transformador de distribución contra sobrecargas y fallos de alta impedancia es instalar un interruptor de circuito en los conductores secundarios del transformador. La curva de disparo de este interruptor de circuito debe coordinarse correctamente con la curva de corriente-tiempo segura del transformador. El fusible primario también debe coordinarse con el interruptor secundario para que este dispare en cualquier corriente que pueda pasar a través de él antes de que el fusible se dañe.

Los fallos en la conexión de servicio del consumidor desde el circuito secundario hasta el interruptor de servicio son extremadamente raros. Por lo tanto, el uso de un fusible secundario en el punto donde la conexión de servicio se deriva del circuito secundario no es económicamente justificable, excepto en casos inusuales como grandes servicios desde secundarios subterráneos.

Consideraciones de Variación de Voltaje

Asumiendo una variación máxima de voltaje de aproximadamente 10% en cualquier interruptor de servicio del consumidor, la división de esta caída entre las diversas partes del sistema, a plena carga, puede ser aproximadamente la siguiente:

• 2% de variación de voltaje en la alimentación primaria entre el primer y el último transformador

• 2.5% de variación de voltaje en el transformador de distribución

• 3% de variación de voltaje en el circuito secundario

• 0.5% de variación de voltaje en la conexión de servicio del consumidor

El hecho de que el voltaje en el primario del primer transformador de distribución no puede mantenerse exactamente normalmente explica el otro 2%.

Estas cifras son típicas para sistemas aéreos que suministran cargas residenciales. Sin embargo, se pueden esperar diferencias significativas en sistemas subterráneos donde se utilizan circuitos de cable y transformadores de distribución grandes, o cuando se suministran cargas industriales y comerciales.

El tamaño económico del transformador de distribución y la combinación de circuito secundario para cualquier densidad de carga uniforme y tipo de construcción, a precios específicos de mercado, se puede determinar fácilmente una vez que se establece la caída de voltaje total permitida en estas dos partes del sistema. Si el transformador es demasiado grande, el costo del circuito secundario y el costo total será excesivo. Por el contrario, si el transformador es demasiado pequeño, el costo del transformador y el costo total será muy alto.

Manejo de Cambios de Carga en Transformadores

Como en cualquier otra parte del sistema de distribución, el cambio de carga o crecimiento de la carga debe considerarse y planificarse en los transformadores de distribución y los circuitos secundarios. Los transformadores de distribución y los circuitos secundarios no se instalan solo para servir las cargas existentes en el momento de la instalación, sino también para acomodar algunas cargas futuras. Sin embargo, no es económico hacer un exceso de provisiones para el crecimiento.

Cuando un transformador de distribución se sobrecarga peligrosamente, se puede reemplazar por uno de tamaño mayor si la capacidad de conducción de corriente del circuito secundario y la regulación de voltaje general lo permiten. Si no, se puede instalar otro transformador de tamaño similar entre el transformador sobrecargado y el adyacente. Esto implica quitar carga del transformador sobrecargado conectando parte de su circuito secundario y la carga asociada al nuevo transformador. Esto también reduce la carga en el circuito secundario del transformador sobrecargado y mejora la regulación de voltaje general. En áreas con carga razonablemente uniforme, es posible que se necesiten instalar transformadores a ambos lados del transformador sobrecargado relativamente rápido para mantener condiciones de voltaje satisfactorias y evitar sobrecargas en partes del circuito secundario. El mismo resultado también se puede lograr instalando un nuevo transformador y reubicando el transformador sobrecargado para que alimente al centro de su circuito secundario acortado.

Bancarización de Transformadores para Mejorar el Servicio

Con los transformadores de distribución y los circuitos secundarios dispuestos en la configuración radial típica, cualquier carga se suministra a través de solo un transformador y en una sola dirección a lo largo del circuito secundario. Debido a esto, una carga repentinamente aplicada, como al iniciar un motor, en el servicio de un consumidor puede causar un parpadeo de luz molesto en otros servicios de consumidores alimentados por el mismo transformador. El uso creciente de electrodomésticos con motor en áreas residenciales está resultando en un número significativo de quejas por parpadeo de luz. En algunas áreas, el parpadeo de luz, en lugar de la regulación de voltaje, puede ser el factor determinante en el tamaño y disposición de los transformadores y circuitos secundarios.

La bancarización de transformadores de distribución suele ser el mejor y más económico medio para mejorar o eliminar el parpadeo de luz. Bancarizar transformadores significa conectar en paralelo en el lado secundario varios transformadores todos conectados al mismo circuito primario. La disposición del circuito secundario en un diseño de bancarización de transformadores puede tomar varias formas, como bucles o redes similares a las utilizadas en un sistema de red secundaria. Sin embargo, los transformadores bancarizados, al estar conectados y suministrados a través de un solo alimentador primario radial, son una forma de sistema de distribución radial, a diferencia de un bucle o red de red secundaria que se suministra a través de dos o más alimentadores primarios y ofrece una mayor confiabilidad de servicio.

La conversión de la disposición usual de circuitos secundarios radiales a la disposición de bancarización de transformadores generalmente se puede hacer de manera simple y económica cerrando los espacios entre los secundarios radiales de varios transformadores asociados con el mismo alimentador primario e instalando los fusibles primarios y secundarios adecuados.

Protección en la Bancarización de Transformadores

Se han utilizado dos formas principales de protección cuando se bancarizan transformadores de distribución. La primera disposición, que probablemente es la más antigua y común, implica conectar los transformadores de distribución al alimentador primario a través de fusibles primarios o cortacircuitos con fusible. Estos fusibles deben fundirse solo en caso de un fallo en su transformador asociado. Todos los transformadores se conectan al circuito secundario común a través de fusibles secundarios, cuyo propósito es desconectar un transformador defectuoso del circuito secundario. El tamaño del fusible secundario debe ser tal que se funda en un fallo primario entre su transformador y el fusible primario asociado. Se espera que los fallos en el circuito secundario se quemen por sí mismos. Para evitar que los fusibles secundarios se fundan con frecuencia en los fallos del circuito secundario, estos fusibles deben tener tiempos de fusión relativamente largos en todas las corrientes de fallo, pero no tan largos como para no proporcionar alguna protección a los transformadores contra fallos secundarios que no se limpian rápidamente.

Usar un interruptor secundario con características de corriente-tiempo adecuadas es preferible a los fusibles secundarios cuando se bancarizan transformadores, ya que ofrece mayor protección al transformador contra sobrecargas y fallos de alta impedancia. Los fusibles o interruptores secundarios deben abrir en menos tiempo que los fusibles primarios en cualquier corriente posible para evitar que los fusibles primarios se fundan en un fallo secundario.

Un fallo de transformador se limpia mediante los fusibles primarios y secundarios del transformador sin interrumpir el servicio. La mayoría de los fallos secundarios se limpian rápidamente, pero cuando un fallo secundario persiste, varios o todos los fusibles secundarios pueden fundirse y algunos transformadores pueden quemarse. La experiencia muestra que con un estudio cuidadoso de las corrientes de fallo esperadas y la selección adecuada de los fusibles primarios y secundarios, este método de bancarización opera con mínimos problemas. Sin embargo, ocasionalmente, un fallo en el circuito secundario hace que varios fusibles secundarios se fundan y algunos transformadores se quemen, resultando en una interrupción de servicio mayor que con circuitos secundarios radiales.

La segunda disposición de bancarización de transformadores es preferible, ya que no hay peligro de una interrupción total del servicio en el área bancarizada debido a un fallo secundario. En esta disposición, los transformadores de distribución se conectan al alimentador primario a través de fusibles primarios por las mismas razones que en la primera disposición. Los transformadores están solidamente conectados al circuito secundario, que se secciona entre transformadores por fusibles secundarios. Estos fusibles se seleccionan para fundirse más rápido que cualquier fusible primario para cualquier fallo en el circuito secundario. Cuando falla un transformador, se retira del sistema por su fusible primario y los fusibles secundarios adyacentes a ambos lados. Así, un fallo de transformador resulta en una interrupción de servicio solo para los consumidores asociados con el transformador defectuoso. Un fallo en el circuito secundario generalmente se quema, pero si persiste, se limpia por los fusibles secundarios junto al tramo defectuoso y el fusible primario del transformador asociado. Los fusibles secundarios se seleccionan típicamente para operar incluso en fallos de alta impedancia, mientras que los fusibles primarios no, por las razones discutidas anteriormente respecto a los circuitos secundarios radiales. Esto asegura que, incluso con un fallo de alta impedancia persistente, los fusibles secundarios adyacentes se funden y evitan la interrupción del servicio en las secciones secundarias no afectadas, aunque el transformador asociado puede quemarse. Para prevenir esto, se puede usar un interruptor secundario con una curva de corriente-tiempo coordinada con la curva de corriente-tiempo segura del transformador en los conductores secundarios del transformador. Cuando se usa tal interruptor, los fusibles secundarios deben seleccionarse para que sus tiempos de fusión para todas las corrientes de fallo sean menores que los tiempos de disparo de los interruptores.

Normalmente, las dos disposiciones de bancarización funcionan de manera similar. Reducen o eliminan el parpadeo de luz y mejoran la regulación de voltaje o permiten una reducción en la cantidad de capacidad de transformador requerida en comparación con los circuitos secundarios radiales. Esta mejora se debe a la unión de varios circuitos secundarios radiales y a la ventaja de la diversidad entre diferentes grupos de consumidores. Se puede esperar un aumento significativo en el uso de transformadores bancarizados en el futuro, ya que estas ventajas a menudo se pueden lograr sin costo adicional o con un ahorro en comparación con la disposición habitual de circuitos secundarios radiales.

En conclusión, tanto las pruebas de rendimiento térmico como mecánico de los transformadores de distribución son cruciales para mantener la confiabilidad y longevidad de estos componentes esenciales en el sistema de distribución de energía. Al comprender sus características operativas, implementar medidas de inspección y protección adecuadas, y abordar problemas como la variación de voltaje y el crecimiento