Transformadores trifasicos

Resumen

Si se ha oído hablar de bancos de transformadores
son simplemente los bancos que consisten en tres transformadores
monofásicos conectados entre ellos para simular un
transformador trifásico.

Para este tipo de transformadores tendremos similares
características que un transformador monofásico por
tratarse de la construcción a partir de 3 de ellos, pero a
continuación se detallara aspectos que deben ser tomados
en cuenta por ser características principales en la
construcción del transformador
trifásico.

Introducción

En un sistema trifásico se puede realizar la
transformación de tensiones mediante un banco de
transformadores o mediante un transformador
trifásico.

Los transformadores trifásicos son utilizados
para el suministro o el transporte de energía a grandes
distancias de sistemas de potencias eléctricas. Lo que
normalmente conocemos como la distribución
eléctrica, pero a grandes distancias.

Un sistema trifásico se puede transformar
empleando 3 transformadores monofásicos. Los circuitos
magnéticos son completamente independientes, sin que se
produzca reacción o interferencia alguna entre los flujos
respectivos. Otra posibilidad es la de utilizar un solo
transformador trifásico compuesto de un único
núcleo magnético en el que se han dispuesto tres
columnas sobre las que sitúan los arrollamientos primario
y secundario de cada una de las fases, constituyendo esto un
transformador trifásico.

Desarrollo de
contenidos

Grupos de
conexión

Fig.1 Tabla de conexiones posibles en
un transformador trifásico. [1]

CONDICIONES NECESARIAS IDEALES PARA LA
CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES EN PARALELO.[1]

La regla clásica ideal para el paralelo de
transformadores, es la de cumplir con los siguientes
requisitos:

1.- Igual capacidad (con enfriamiento o sin
enfriamiento) de devanados.

2.- Igual impedancia (referida a la misma base de
voltaje y capacidad).

3.- Iguales voltajes lado alimentación y lado
carga.

4.- Igual relación de transformación en
vacío.

5.- Igual tipo de enfriamiento.

6.- Diseño para igual altura de operación
sobre el nivel del mar.

7.- Que sean de la misma marca

8.- Igual lote de fabricación.

9.- Igual tipo de aislamiento (igual temperatura de
operación).

10.- Similar tiempo de uso (si son usados).

11.- Iguales niveles de impulso (NBI).

12.- Igual frecuencia.

13.- Igual rotación de fases.

14.- Igual polaridad.

15.- Igual desplazamiento angular.

16.- Similar valor de Mega-ohm de sus
aislamientos.

17.- Similar factor de potencia de sus
aislamientos.

18.- Similar propiedad Físico-Química de
aceites.

19.- Similar valor de Hi-Pot de sus
aislamientos.

20.- Similar corriente de excitación.

21.- Similar resistencia de núcleo
aterrizado.

22.- Similar corriente de
excitación.

Para transformadores monofásicos,
sólo se tomarán las que correspondan a sistemas
monofásicos. En la práctica, como ustedes saben, no
se toman en cuenta todas las características mencionadas
anteriormente, pero sí las más
significativas.[1]

• Desplazamiento angular.

• Capacidad e impedancia.

Conexión Delta

Esta conexión también se denomina
triangulo – triangulo, donde la relación de voltajes entre
primario y secundario viene dada por:

Fig.2 Conexión Delta – Delta.
[4]

(El devanado de la izquierda es el primario y el
devanado de la derecha es el secundario)

Conexión Delta

También denominado grupo de conexión
triangulo – estrella.

Esta conexión se utiliza normalmente para elevar
el voltaje a un valor alto. [4]

Fig.3 Conexión Delta – Ye.
[4]

(El devanado de la izquierda es el
primario y el devanado de la derecha es el secundario)

Conexión Ye

La conexión estrella – delta o estrella –
triangulo, se usa generalmente para bajar de un voltaje alto a
uno medio o bajo. Una razón de ello es que se tiene un
neutro para aterrizar el lado de alto voltaje lo cual es
conveniente y tiene grandes ventajas. [4]

Fig.4 Conexión Ye – Delta.
[4]

(El devanado de la izquierda es el
primario y el devanado de la derecha es el secundario)

La relación de tensiones entre primario y
secundario viene dada por:

Esta conexión no presenta problemas con los
componentes en sus voltajes de terceros armónicos, puesto
que se consume una corriente circulante en el lado de la delta
(triangulo). Esta conexión es estable con respecto a
cargas desequilibradas, debido a que la delta redistribuye
cualquier desequilibrio que se presente. [4]

Esta conexión tiene como desventaja que el
voltaje secundario se desplaza en retraso 30? con respecto al
voltaje primario del transformador, lo cual ocasiona problemas en
los secundarios si se desea conectar en paralelo con otro
transformador, siendo uno de los requisitos para conectar en
paralelo, que los ángulos de fase de los secundarios del
transformador deben ser iguales. [4]

Conexión Ye Ye (Y – Y).

La conexión ye – ye o estrella – estrella al
igual que la triangulo – triangulo el voltaje de línea
secundario es igual al voltaje de línea primario
multiplicado por el inverso de la relación de
transformación. [4]

Fig.5 Conexión Ye – Ye.
[4]

(El devanado de la izquierda es el
primario y el devanado de la derecha es el secundario)

La relación primario a secundario viene dada
por:

Esta conexión es poco usada debido a las
dificultades que presenta:

1.    Si las cargas en el circuito del
transformador no están equilibradas (es lo que
comúnmente ocurre), entonces los voltajes en las fases del
transformador pueden llegar a desequilibrarse
severamente.

2.    Los voltajes de terceros
armónicos son grandes.

Estos problemas son resueltos utilizando estas dos
técnicas.

1.    Conectando sólidamente a
tierra los neutros de los transformadores, en especial el neutro
del devanado primario, esta conexión permite que los
componentes aditivos de los terceros armónicos causen un
flujo de corriente en el neutro en lugar de acumular grandes
voltajes, el neutro también suministra un camino de
regreso para cualquier desequilibrio de corriente en la carga.
[4]

2.    Añadir un tercer devanado
conectado en delta al banco de transformadores. Con esto las
componentes de voltaje de la tercera armónica en delta se
sumarán y causarán un flujo de corriente circulante
dentro del devanado. Esto suprime los componentes de voltaje de
la tercera armónica de la misma manera que el hacer tierra
con los neutros de los transformadores. [4]

Aceite
dieléctrico

Como parte de un programa integral proactivo de
mantenimiento eléctrico en transformadores, se requiere
necesariamente incluir un análisis periódico del
aceite aislante., antes de que el aceite colapse uy ocasione
daños severos en el transformador. [2]

Estudios del Consejo Internacional de Grandes Redes
Eléctricas han determinado que más del 70% de los
defectos y fallos internos de un transformador dejan una huella
en el aceite aislante que, si se sabe analizar e interpretar,
permite identificar la naturaleza y severidad del defecto o
fallo.[2]

Aspecto y color. El color de un aceite aislante
se expresa con un número obtenido por comparación
con una serie de colores normalizados. No es una propiedad
crítica, pero puede ser útil para una
evaluación comparativa. Un incremento rápido o un
número de color elevado pueden indicar degradación
o contaminación del aceite.

Además del color, el aspecto del aceite puede
mostrar turbidez o sedimentos que pueden indicar la presencia de
agua libre, lodos insolubles, carbón, fibras u otros
contaminantes. [2]

Rigidez dieléctrica. La rigidez
dieléctrica es una medida de la capacidad del aceite para
soportar solicitaciones eléctricas. La medida de la
rigidez dieléctrica sirve principalmente para indicar la
presencia de contaminantes como agua o partículas. Un
valor bajo de rigidez dieléctrica puede indicar que uno o
más de estos contaminantes están presentes. Sin
embargo, un valor elevado de rigidez dieléctrica no indica
necesariamente la ausencia de todo contaminante. [2]

Punto de inflamación. La rotura del aceite
causada por descargas eléctricas o por exposición
prolongada a muy altas temperaturas puede producir cantidades
suficientes de hidrocarburos de bajo peso molecular para reducir
el punto de inflamación del aceite.

Un bajo punto de inflamación puede indicar la
presencia de productos combustibles volátiles en el
aceite. Esto puede deberse a contaminación con un
disolvente pero, en algunas ocasiones, se ha observado que la
causa eran chispas eléctricas. [2]

Compatibilidad de aceites aislantes. Para
rellenar el transformador o mantener niveles, se debe utilizar un
aceite que cumpla con la norma IEC 60296 y sea del mismo tipo.
Los aceites no usados, que sean conformes con la norma IEC 60296
y que no contengan o contengan los mismos aditivos, se consideran
compatibles entre sí y pueden mezclarse en todas
proporciones. La experiencia de campo indica que, normalmente, no
se observan problemas cuando se añade un pequeño
porcentaje, por ejemplo un 5 %, de un aceite no usado a aceites
usados clasificados como "buenos",

aunque adiciones superiores a aceites fuertemente
envejecidos puede ocasionar la

Precipitación de lodos. [2]

Refrigeración

El aceite mineral tiene la función de servir de
elemento trasmisor de calor para poder disipar el calor generado
por los bobinados y núcleo del
transformador.[3]

Fig.6 Análisis y mantenimiento de
los aceites dieléctricos.[3]

De tal manera, el aceite debe mantener excelentes
propiedades eléctricas para poder soportar la
degradación térmica y la oxidación. Algunos
transformadores no contiene aceite mineral sino líquidos
sintéticos tales como: silicona, R-Temp. Ó
askarel

Hay varias razones de peso para realizar pruebas
periódicas al aceite dieléctrico: primero las
pruebas indicaran las condiciones internas del transformador.
Cualquier síntoma de lodo permitirá retirarlo del
transformador antes de que penetre y ocasione algún
daño en los bobinados y las superficies interiores del
transformador, prolongando su vida útil .Otra ventaja es
la reducir las salidas no programadas, si se detecta algún
problema, entonces se toman las medidas que impidan las
interrupciones.[3]

Punto de congelación. Es una medida de la
capacidad del aceite para fluir a baja temperatura. No existen
evidencias que sugieran que esta propiedad se vea afectada
durante el deterioro normal del aceite. Los cambios en el punto
de congelación pueden normalmente interpretarse como
resultado del rellenado con un tipo diferente de aceite.
[2]

Densidad. La densidad puede ser útil para
identificar el tipo de aceite. En climas fríos, la
densidad del aceite puede ser importante para determinar la
idoneidad de su uso.

Por ejemplo, los cristales de hielo formados a partir de
agua libre pueden flotar en aceites de alta densidad y conducir a
contorneamiento durante la posterior fusión. Sin embargo,
la densidad no es significativa para comparar la calidad de
diferentes muestras de aceite. No existen evidencias de que la
densidad se vea afectada por el deterioro normal del aceite.
[2]

Conexión
Z

El banco aterrizador en zig zag normalmente se utiliza
para ofrecer un camino a la corriente de falla, de tal manera,
que una falla de fase a tierra en un sistema delta, se puede
detectar e interrumpir. El tamaño del banco se calcula de
acuerdo a la Corriente de falla de fase a tierra multiplicado por
el voltaje de fase a tierra y este se multiplica por la constante
"K" la cual se determina por el lapso de tiempo requerido para
que el relevador opere.

ACCESORIOS INCLUIDOS:

• Indicador de nivel de líquidos

• Indicador de temperatura del punto mas
caliente

• Válvula de sobre presión de
½"

• Reelevador de operación
mecánica

• Válvula de drene y muestreo

• Salida para conexión a medición a
T.C.

• Boquillas de porcelana clase 25 con aislamiento
Básico al Impulso (B.I.L.):

150Kv Localizadas en tapa o frente para acoplamiento a
subestación

• Dos Registros en tapa para
mantenimiento.

• Orejas de izaje para su
instalación

Siempre deseable aterrizar al punto neutro de un
circuito un sistema eléctrico, pero donde la
conexión es en delta, la forma de realizar esta
conexión es solo a través de la inclusión de
un aparato auxiliar, especialmente diseñado para esto,
como lo es el transformador aterrizador.[6]

Fig.7 Transformador aterrizador en
zigzag.[6]

El aparato normalmente, es fabricado con los devanados
en Zigzag o delta/estrella. La construcción de este equipo
es similar al transformador trifásico normal, sin embargo
solo se incluye un devanado de alta tensión en cada
pierna, dividido en dos porciones iguales e interconectado entre
sí en Zigzag. El aparato entonces es un autotransformador
con relación 1 a 1 con los devanados arreglados de tal
manera que los voltajes de cada línea a tierra son
mantenidos bajo condiciones normales de operación, este
sistema ofrece una impedancia mínima al flujo de corriente
de falla monofásica, teniendo un neutro
aterrizado.[6]

Bajo condiciones normales, la corrientes que fluyen a
través de corriente de falla monofásica, teniendo
un neutro aterrizado.

Fig.8 DIAGRAMA DE CONEXIÓN Y
RELACIÓN DE VOLTAJE Y CORRIENTE. [6]

Relación
de transformación

En un transformador trifásico o en un
banco de transformadores se puede distinguir dos relaciones de
transformaciones:

La relación de transformación m es el
cociente entre las tensiones asignadas de fase del primario y del
secundario:[5]

Conexiones
especiales

A parte de las conexiones conocidas y estudiadas
anteriormente tenemos unas conexiones especiales con distinta
aplicación las cuales veremos a
continuación:

• 1. Conexión
  Delta-Abierto.

Fig.9 esquema de conexión
delta-abierto[7]

Fig.10 condiciones de contorno de la
conexión delta abierto.[7]

Conexión
Scott

Esta disposición se debe al ingeniero americano
Charles F. Scott quien la inventó en 1894 cuando trabajaba
en la compañía

Westinghouse.

Esta configuración de transformadores
monofásicos se basa en el hecho que un sistema
trifásico en estrella la tensión compuesta entre
dos fases está en cuadratura con la tensión de la
tercera fase.

Fig.11 esquema de conexión Scott
[7]

Fig.12 relaciones para calculo
[7]

Fig.13 tensiones y corrientes de
línea en conexión Scott [7]

Conclusiones

• Los transformadores trifásicos tienen
  similares características que uno monofásico,
  al igual que sus ventajas y desventajas.

• Las características de un transformador
  trifásico son de mayor consideración por
  tratarse ya sea de un banco de transformadores o el
  transformador trifásico los cuales implican mayor
  número de devanados y esto a la vez distintas
  conexiones posibles

• Las pérdidas de un transformador real, son
  pérdidas que siempre estarán presentes ya sea
  en gran cantidad o en poca, además serán las
  mismas que existen en el Transformador Monofásico. Sin
  embargo las pérdidas en un transformador se las puede
  reducir considerablemente tomando las medidas
  necesarias.

Bibliografía

[1] Conexión de transformadores
trifásicos en paralelo, Instituto tecnológico de
Ciudad Madero, Ing. Ramón Rivero.

[2] Análisis de aceite dieléctrico y
su significado, NORMA IEEE C57.104-1991, Laboratorio Fluidos
Dieléctricos – TEKNIKER

[3] www.kayelectric.net

[4] A. E. FITZGERALD, CHARLES KINGSLEY, JR. STEPHEN
D, UMANS. MÁQUINAS ELÉCTRICAS

[5]Universidad de Cantabria,
departamento de ingeniería eléctrica y
energética, transformadores trifásicos, Miguel
Rodríguez.

[6]Transformador aterrizador zig-zag,
3lan.tek(s.a. de c.v.).

[7]Transformadores Especiales, sistemas
de tracción, departamento conversión y transporte
de energía, Universidad Simón Bolívar,
Alexander Bueno, 2009.

Autor:

Luis Zhunio,

Adrian Moscoso,

Kevin Jaramillo

Universidad Politécnica
Salesiana

CUENCA – ECUADOR