17 Preguntas Comunes Sobre Transformadores de Potencia

1 ¿Por qué el núcleo del transformador debe estar conectado a tierra?
Durante la operación normal de los transformadores de potencia, el núcleo debe tener una conexión a tierra confiable. Sin conexión a tierra, un voltaje flotante entre el núcleo y la tierra causaría descargas intermitentes por descomposición. La conexión a tierra en un solo punto elimina la posibilidad de potencial flotante en el núcleo. Sin embargo, cuando existen dos o más puntos de conexión a tierra, las diferencias de potencial entre secciones del núcleo crean corrientes circulantes entre los puntos de conexión a tierra, lo que causa fallas térmicas por múltiples conexiones a tierra. Las fallas de conexión a tierra del núcleo pueden causar sobrecalentamiento localizado. En casos graves, la temperatura del núcleo aumenta significativamente, activando alarmas de gas ligero, y potencialmente causando que la protección de gas pesado se active. Las secciones fundidas del núcleo crean cortocircuitos entre las láminas, aumentando las pérdidas del núcleo y afectando seriamente el rendimiento y la operación del transformador, a veces requiriendo la sustitución de las láminas de acero silicio. Por lo tanto, los núcleos de los transformadores deben tener exactamente un punto de conexión a tierra, ni más ni menos.

2 ¿Por qué se utilizan láminas de acero silicio para los núcleos de los transformadores?
Los núcleos de transformadores comunes están hechos de láminas de acero silicio. El acero silicio es acero que contiene silicio (también llamado arena) en un 0,8-4,8%. Se utiliza acero silicio debido a sus excelentes propiedades magnéticas y su capacidad para generar alta densidad de flujo magnético en bobinas energizadas, permitiendo un tamaño de transformador más pequeño. Los transformadores siempre operan bajo condiciones de corriente alterna, con pérdidas de potencia no solo en la resistencia de las bobinas sino también en el núcleo bajo magnetización alternada. Las pérdidas de potencia en el núcleo se llaman "pérdidas de hierro", compuestas por "pérdidas de histeresis" y "pérdidas por corrientes de Foucault". Las pérdidas de histeresis ocurren durante la magnetización debido a la histeresis magnética, con pérdidas proporcionales al área encerrada por el bucle de histeresis del material. El acero silicio tiene un bucle de histeresis estrecho, lo que resulta en menores pérdidas de histeresis y menor calentamiento.

Si el acero silicio tiene estas ventajas, ¿por qué no se usan bloques sólidos? Porque los núcleos laminados reducen otro tipo de pérdida de hierro, las pérdidas por corrientes de Foucault. Durante la operación, la corriente alterna en las bobinas crea un flujo magnético alterno, induciendo corrientes en el núcleo. Estas corrientes inducidas fluyen en bucles cerrados perpendiculares a la dirección del flujo, formando corrientes de Foucault que causan calentamiento. Para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault, los núcleos de los transformadores utilizan láminas de acero silicio aisladas apiladas, forzando las corrientes de Foucault a través de caminos estrechos con secciones transversales más pequeñas para aumentar la resistencia. Además, el silicio en el acero aumenta la resistividad, reduciendo aún más las corrientes de Foucault. Los núcleos de los transformadores típicamente usan láminas de acero silicio laminado en frío de 0,35 mm de espesor, cortadas a medida y apiladas en formas "E-I" o "C". En teoría, láminas más delgadas y tiras más estrechas reducirían mejor las corrientes de Foucault. Esto reduciría las pérdidas por corrientes de Foucault, disminuiría el aumento de temperatura y ahorraría material. Sin embargo, la fabricación práctica de núcleos considera múltiples factores, láminas excesivamente delgadas aumentarían enormemente los costos de mano de obra y reducirían el área efectiva transversal del núcleo. Por lo tanto, las dimensiones de las láminas de acero silicio para los núcleos de los transformadores deben equilibrar diversas consideraciones para lograr un diseño óptimo.

3 ¿Cuál es el rango de protección de la protección Buchholz (de gas)?

• Cortocircuitos internos multipolares en el transformador
• Cortocircuitos entre vueltas, cortocircuitos entre bobinados y núcleo o depósito
• Fallas en el núcleo
• Disminución del nivel de aceite o fuga de aceite
• Contacto pobre en los cambios de toma o soldadura deficiente de conductores

4 ¿Cuáles son las diferencias entre la protección diferencial principal del transformador y la protección Buchholz?

• La protección diferencial principal del transformador opera sobre principios de corriente circulante, mientras que la protección Buchholz opera basada en la generación de gas durante las fallas internas del transformador.
• La protección diferencial sirve como la protección principal de los transformadores, mientras que la protección Buchholz es la protección principal para las fallas internas del transformador.
• Los rangos de protección difieren:
  A) La protección diferencial cubre:
  • Cortocircuitos multipolares en los conductores y bobinados principales del transformador
  • Cortocircuitos severos entre vueltas de fase única
  • Fallas a tierra en bobinados y conductores en sistemas de tierra de alta corriente
• B) La protección Buchholz cubre:
• • Cortocircuitos internos multipolares en el transformador
  • Cortocircuitos entre vueltas, cortocircuitos entre vueltas y núcleo o depósito
  • Fallas en el núcleo (daño por sobrecalentamiento)
  • Disminución del nivel de aceite o fuga de aceite
  • Contacto pobre en los cambios de toma o soldadura deficiente de conductores

5 ¿Cómo manejar las fallas de los enfriadores del transformador principal?

• Cuando se pierden las fuentes de alimentación de trabajo para las secciones I y II de los enfriadores, aparece una señal de "fallo de energía #1, #2" y se activa el circuito de disparo de parada total del enfriador del transformador principal. Informe inmediatamente a la central de control y deshabilite este conjunto de protecciones.
• Si la conmutación entre las fuentes de alimentación I y II falla durante la operación, se ilumina el indicador de "parada total del enfriador", activando el circuito de disparo de parada total del enfriador del transformador principal. Informe inmediatamente a la central de control para deshabilitar este conjunto de protecciones y realice rápidamente la conmutación manual. Si los contactores KM1 o KM2 han fallado, no fuerce la excitación.
• Cuando cualquier circuito de enfriador individual falle, aísle el circuito de enfriador defectuoso.

6 ¿Qué consecuencias ocurren cuando se operan en paralelo transformadores que no cumplen con las condiciones de operación en paralelo?
Cuando transformadores con diferentes relaciones de transformación operan en paralelo, se generan corrientes circulantes, afectando la capacidad de salida del transformador. Cuando transformadores con impedancias porcentuales diferentes operan en paralelo, las cargas no pueden distribuirse según las proporciones de capacidad del transformador, lo que también afecta la capacidad de salida. Cuando transformadores con diferentes grupos de conexión operan en paralelo, ocurrirán cortocircuitos en los transformadores.

7 ¿Qué causa sonidos anormales en los transformadores?

• Sobrecarga
• Malos contactos internos que provocan arco de descarga
• Componentes individuales flojos
• Puesta a tierra o cortocircuitos en el sistema
• Arranque de motores grandes que causan fluctuaciones significativas de carga

8 ¿Cuándo no se debe ajustar el cambiador de derivaciones de un transformador con cambio de derivaciones bajo carga?

• Durante la operación sobrecargada del transformador (excepto en circunstancias especiales)
• Cuando la protección de gas ligero del cambiador de derivaciones bajo carga activa frecuentemente
• Cuando el indicador de aceite del cambiador de derivaciones bajo carga no muestra aceite
• Cuando el número de cambios de derivación excede los límites especificados
• Cuando el dispositivo de cambio de derivaciones presenta anomalías

9 ¿Qué representan los valores nominales en la placa de características de un transformador?
Los valores nominales del transformador son especificaciones establecidas por los fabricantes para una operación normal del transformador. Operar dentro de estos valores nominales garantiza una operación confiable prolongada con buen rendimiento. Los valores nominales incluyen:

• Capacidad nominal: La capacidad de salida garantizada bajo condiciones nominales, expresada en voltamperios (VA), kilovoltamperios (kVA) o megavoltamperios (MVA). Debido a la alta eficiencia del transformador, las capacidades nominales de los devanados primario y secundario generalmente están diseñadas para ser iguales.
• Tensión nominal: La tensión terminal garantizada en condiciones de vacío, expresada en voltios (V) o kilovoltios (kV). A menos que se indique lo contrario, la tensión nominal se refiere a la tensión de línea.
• Corriente nominal: La corriente de línea calculada a partir de la capacidad nominal y la tensión nominal, expresada en amperios (A).
• Corriente en vacío: La corriente de excitación como porcentaje de la corriente nominal durante la operación en vacío.
• Pérdida en cortocircuito: La pérdida de potencia activa cuando un devanado está cortocircuitado y se aplica tensión al otro devanado para lograr la corriente nominal en ambos devanados, expresada en vatios (W) o kilovatios (kW).
• Pérdida en vacío: La pérdida de potencia activa durante la operación en vacío, expresada en vatios (W) o kilovatios (kW).
• Tensión de cortocircuito: También llamada tensión de impedancia, el porcentaje de la tensión aplicada respecto a la tensión nominal cuando un devanado está cortocircuitado y el otro devanado lleva corriente nominal.
• Grupo de conexión: Indica los métodos de conexión de los devanados primario y secundario y la diferencia de fase entre las tensiones de línea, representado mediante notación horaria.

10 ¿Por qué los inversores de fuente de corriente requieren mayor capacidad del transformador?
El diseño del transformador generalmente considera la capacidad nominal más que la potencia nominal, ya que la corriente se relaciona únicamente con la capacidad nominal. Para inversores de fuente de tensión, el factor de potencia de entrada es cercano a 1, por lo que la capacidad nominal y la potencia nominal son casi iguales. Los inversores de fuente de corriente son diferentes: el factor de potencia del transformador en el lado de entrada es como máximo igual al factor de potencia del motor de inducción de carga. Por lo tanto, para el mismo motor de carga, la capacidad nominal debe ser mayor que para transformadores utilizados con inversores de fuente de tensión.

11 ¿Qué factores afectan la capacidad del transformador?
La selección del núcleo se relaciona con la tensión, mientras que la selección del conductor se relaciona con la corriente: el grosor del conductor afecta directamente la generación de calor. En otras palabras, la capacidad del transformador se relaciona únicamente con la generación de calor. Para un transformador bien diseñado que opera en condiciones deficientes de disipación de calor, una unidad de 1000kVA podría operar a 1250kVA con enfriamiento mejorado. Además, la capacidad nominal se relaciona con el aumento de temperatura permitido. Por ejemplo, un transformador de 1000kVA con un aumento de temperatura permitido de 100K podría superar la capacidad de 1000kVA si se le permite operar a 120K en circunstancias especiales. Esto demuestra que mejorar las condiciones de enfriamiento del transformador puede aumentar su capacidad nominal. Por el contrario, para el mismo inversor de capacidad, se puede reducir el tamaño del gabinete del transformador.

12 ¿Cómo mejorar la eficiencia del transformador?

• Seleccione transformadores de baja pérdida y alta eficiencia energética siempre que sea posible
• Elija la capacidad del transformador de manera razonable basándose en las condiciones de carga
• Mantenga el factor de carga promedio del transformador por encima del 70%
• Considere reemplazar con transformadores de menor capacidad cuando el factor de carga promedio esté consistentemente por debajo del 30%
• Mejore el factor de potencia de la carga para aumentar la capacidad del transformador para entregar potencia activa
• Configure razonablemente las cargas para minimizar el número de transformadores en operación

13 ¿Por qué acelerar la renovación técnica de los transformadores de distribución de alto consumo energético?
Los transformadores de distribución de alto consumo energético se refieren principalmente a los transformadores de las series SJ, SJL, SL7, S7, cuyas pérdidas de hierro y cobre son mucho más altas que las de los transformadores de la serie S9, que son ampliamente utilizados actualmente. Por ejemplo, en comparación con el S9, el S7 tiene pérdidas de hierro un 11% más altas y pérdidas de cobre un 28% más altas. Los transformadores más recientes, como los S10 y S11, son aún más eficientes energéticamente que el S9, mientras que los transformadores de aleación amorfa tienen pérdidas de hierro equivalentes solo al 20% de los transformadores S7. Los transformadores suelen tener vidas útiles de varias décadas. Reemplazar los transformadores de alto consumo energético con modelos de alta eficiencia no solo mejora la eficiencia de conversión de energía, sino que también logra un ahorro considerable de electricidad a lo largo de su vida útil.

14 ¿Qué es la corriente de Foucault? ¿Qué daños causa la corriente de Foucault?
Cuando la corriente alterna fluye a través de un conductor, crea un campo magnético alternante alrededor del conductor. Este campo alternante induce corrientes dentro de los conductores sólidos. Dado que estas corrientes inducidas forman bucles cerrados dentro del conductor, similares a remolinos de agua, se les llama corrientes de Foucault. Las corrientes de Foucault no solo desperdician energía eléctrica, reduciendo la eficiencia del equipo, sino que también causan calentamiento en los dispositivos eléctricos (como los núcleos de los transformadores), lo que puede afectar la operación normal del equipo en casos graves.

15 ¿Por qué la protección instantánea del transformador debe evitar la corriente de cortocircuito de baja tensión?
Esto se considera principalmente por la selectividad en la operación de la protección por relés. La protección instantánea del lado de alta tensión protege principalmente contra fallas externas severas del transformador. Durante la configuración, si la protección no evita la corriente máxima de cortocircuito en el lado de baja tensión del transformador, el rango de protección se extendería a las líneas de salida de baja tensión, ya que los valores de la corriente de cortocircuito no cambian significativamente en un rango corto cerca de la salida de baja tensión. Esto comprometería la selectividad. Aunque la protección no selectiva es más confiable, crea inconvenientes operativos. Por ejemplo, muchos parques industriales tienen salas de distribución principal de 10 kV (barras de 10 kV + interruptores de salida), con cada taller teniendo anillos de distribución de baja tensión (unidades de anillo + transformadores). Si los interruptores no evitan la corriente máxima de cortocircuito en el lado de baja tensión del transformador, los interruptores principales de baja tensión (interruptor de carga de la unidad de anillo) e interruptores de alta tensión operarían simultáneamente, causando dificultades operativas.

16 ¿Por qué no se permiten dos transformadores en paralelo con puntos neutros conectados a tierra simultáneamente?
En sistemas de alta corriente, para satisfacer los requisitos de coordinación de sensibilidad de la protección por relés, algunos transformadores principales deben estar conectados a tierra mientras que otros permanecen sin conexión a tierra. En una estación con dos transformadores principales, no conectar a tierra ambos puntos neutros simultáneamente se aborda principalmente para la coordinación de la protección de corriente de secuencia cero y voltaje de secuencia cero. En subestaciones con múltiples transformadores en paralelo, generalmente algunos puntos neutros de los transformadores están conectados a tierra mientras que otros permanecen sin conexión a tierra. Esto limita la corriente de falla a tierra a niveles razonables y minimiza el impacto de los cambios en el modo de operación en la magnitud y distribución de las corrientes de secuencia cero en toda la red, mejorando la sensibilidad de los sistemas de protección de corriente de secuencia cero.

17 ¿Por qué realizar pruebas de cierre impulsivo antes de poner en operación transformadores recién instalados o revisados?
Desconectar un transformador sin carga de la red genera sobretensiones de conmutación. En sistemas de tierra de corriente pequeña, estas sobretensiones pueden alcanzar 3-4 veces el voltaje nominal de fase; en sistemas de corriente de tierra alta, pueden alcanzar 3 veces el voltaje nominal de fase. Por lo tanto, para verificar si el aislamiento del transformador puede soportar el voltaje nominal y las sobretensiones de conmutación operativa, se deben realizar varias pruebas de cierre impulsivo antes de la puesta en marcha. Además, alimentar transformadores sin carga produce corriente de inrush de magnetización, que puede alcanzar 6-8 veces la corriente nominal. Dado que el inrush de magnetización genera fuerzas electromagnéticas significativas, las pruebas de cierre impulsivo también verifican eficazmente la resistencia mecánica del transformador y si la protección por relés podría mal funcionar.