Principales factores para la selección de transformadores

Este artículo presenta varios conceptos de diseño útil para la selección y dimensionamiento de los transformadores en edificaciones.

A pesar de que los edificios no son iguales, sus cargas eléctricas si son muy similares. Por ello se debe calcular adecuadamente la dimensión del transformador y con ello asegurar que este sea el adecuado.

Los transformadores pueden ser tipo exterior o interior, en una subestacion u otras áreas según lo permitido por la normatividad local.



Estos son los factores que se deben considerar cuando se especifica transformadores:

  1. Tipo de transformadores.
  2. Especificar la potencia (kVA) del transformador.
  3. Especificar tensión nominal y método de conexión (Triangulo o estrella).
  4. Equipo cambiador de tensión (taps).
  5. Valores de impedancia típicos para transformadores.
  6. Evaluación de la temperatura de aislamiento.
  7. Clases de aislamiento (BIL).
  8. Niveles de ruido.
  9. Contenido de armónicos en la carga.

caracteristicas-de-transformadores-tipo-encapsulado-resina

Foto Siemens

Tipo de transformadores:

Hay diferentes tipos de transformadores utilizados en edificios. La comprensión de sus características generales permitirá al diseñador hacer la selección correcta.

Los siguientes son algunos de los tipos de transformadores disponibles en la industria, junto con algunas de sus características:

Transformador seco abierto: Este tipo de transformador es ventilado por aire, requiere un espacio mas grande para su instalación que el transformador encapsulado al vacío o en otro gas, y también requiere diferentes materiales aislantes para aumentar la rigidez dieléctrica del aire. Este tipo de transformador es el más común en la construcciones tipo interior.

Transformador seco encapsulado al vacío o en otro gas aislante: Este transformador es similar al tipo seco abierto. La diferencia es que sus devanados están inmersos en un tanque cerrado con nitrógeno, vacio u otro gas dieléctrico para proteger los devanados. Pueden ser instalados al aire libre o en interiores. Son útiles en áreas con una atmósfera corrosiva o sucia.

Transformadores encapsulados en resina: Se construyen con los arrollamientos primario y secundario encapsulados en resina. Se pueden instalar donde existen humedad o agentes contaminantes en el aire.

Transformadores de tipo seco noventilados: Son similares al tipo seco abierto, pero están totalmente cerrados. Estos  transformadores se recomiendan en las áreas que donde pueda estar presentes el polvo, la suciedad o pelusas o donde los transformadores están sujetos a los aerosoles o las condiciones de lavado controladas.

Transformadores en aceite: Se construyen con los arrollamientos encerrados en un tanque de aceite mineral aislante. Es una buena práctica realizar pruebas regularmente a este tipo de transformador con el fin de determinar la ruptura dieléctrica, lo que afecta a su vida útil.

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Especificar la potencia (kVA) del transformador.

Después de calcular cuanta potencia se requiere en la instalación, deberás especificar el tamaño comercial del transformador que según la IEEE C57.12.00-2010 “EEE Standard for General Requirements for Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers”, son las siguientes (Tabla 1):

Tabla 1 – potencia comercial en kVA para transformadores:

Monofásico[kVA] Trifásico[kVA]
3 9
5 15
10 30
15 45
25 75
37.5 112.5
50 150
75 225
100 300
167 500
250 750
333 1000
500 1500
833 2000
1250 2500
1667 3750
2500 5000
3333 7500
5000 10000

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Especificar tensión nominal y método de conexión (Triangulo o estrella).

Todos los valores de kVA referidos en la Tabla 1 pueden fabricarse a diferentes niveles de tensión, sin embargo comúnmente los tamaños más pequeños se aplican a voltajes más bajos y los tamaños más grandes a voltajes más altos.

Se debe tener en cuenta que las tensiones nominales deben ser seleccionadas de acuerdo con el equipo comercial disponible que indican los catálogos de fabricantes. Esto es recomendado por que desde el punto de vista de costo y tiempos de entrega y sustitución, es mas fácil hacerlo con un transformador comercial de fabricación en serie..

En la mayoría de los proyectos comerciales y oficinas, la tensión secundaria mas utilizada es 208Y / 120 V debido a que la mayor parte de la carga es iluminación y pequeños electrodomésticos como computadoras. Una tensión secundaria de 480Y / 277 V o circuitos 220Y / 127 V , puede ser necesaria cuando las cargas son motores eléctricos o tienen grandes necesidades de iluminación.

En general, un transformador trifasico se deberá seleccionar en el secundario a 480Y / 277 V para cargas grandes y a  208Y / 120 V para cargas pequeñas. Esto se ha convertido en un estándar y es compatible con los motores trifásicos, que ahora comunmente están clasificados a 460 V por estándar.

En circunstancias normales, una calificación de 460 V para el secundario del transformador no debe seleccionarse si la carga es predominantemente motores más viejos de 440 V .

El voltaje de Fase a neutro 277 V pueden servir para iluminación fluorescente y de alta intensidad de descarga (HID).

Los transformadores tienen diferentes niveles de tensión para alimentar cargas eléctricas de acuerdo a las tensiones propias y las que requieran los equipos.

Las tensiones primarias y secundarias mas comunes de transformadores son:

Primarias (Media tension): 2.400V; 4.160V; 7.200V; 12,470V; y 13.200V para tranformadores Clase 15 kV

Secundarias (Baja tension): 120V, 208V, , 220V, 240V, 277V, 600V y 480V para tranformadores Clase 1 kV.

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Cambiadores de tensión (taps).

cabiador-de-tension-taps

Los cambiadores de tensión (Taps) se utilizan para cambiar la relación entre los bobinados de alta y baja tensión. El  cambio manual sin tensión del tap se utiliza generalmente para compensar las diferencias entre la relación de transformación y la tensión nominal. Los cambios del tap en el transformador deben basarse en condiciones de máxima tensión en vacío.

Por ejemplo, un transformador de tensión nominal 13 200 V a 480 V puede tener cuatro pasos (taps) 2,5% c/u  (dos por encima y dos por debajo de 13 200 V).

Si este transformador está conectado a un sistema cuya tensión máxima es 13 530 V, se podrá utilizar el tap de 13 530 V a 480 V para proporcionar un máximo de 480 V sin carga.

Los cambiadores de tensión pueden ser sin carga  o con carga:

Cambiadores de tensión con carga

Los Taps o cambiadores de tensión se pueden cambiar cuando el transformador está energizado y con carga.

Estos taps o cambiadores de tensión se utilizan para compensar las variaciones excesivas en la tensión de alimentación. Se asocian con frecuencia a los transformadores de edificios comerciales u oficinas.

Los cambiadores de tensión o Taps bajo carga, se pueden controlar de forma automática o manualmente .

Cambiadores de tensión sin carga:

Este tipo de cambiadores de tensión o taps se pueden utilizar sólo cuando el transformador está desenergizado .

En transformadores muy pequeños de aceite y de tipo seco, los cambiadores de tensión o taps se cambian al mover una palanca externa accesible desde un panel en la carcasa.

Este tipo de controles son ajustes manuales adecuados para corregir las condiciones de tensión a largo plazo. No son adecuados para corregir las variaciones a corto plazo (por hora, día o semana).

Lo cambiadores de tensión automáticos son relativamente caros por lo que una de las siguientes soluciones podría ser mejor:

  • Solicitar la correcta regulación de voltaje a la compañía de suministro de servicios públicos.
  • Separar los circuitos de modo que las cargas variables pesadas queden separadas de las cargas más sensibles. Cuando se requiera alimentar cargas sensibles se debera utilizar un transformador separado que permita la autoregulacion, lo cual sera mas económico.
  • Utilice la regulación de voltaje sólo las cargas sensibles.

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Valores de impedancia típicos para transformadores.

Los valores de impedancia típicos para transformadores de potencia se dan en la Tabla 2. Estos valores son para transformadores autoventilados kVA y están sujetos a una tolerancia de ± 7,5%, como se establece en la norma IEEE C57.12.00-1987 (ANSI).



Impedancias no estándar pueden ser especificadas a un costo superior: Las impedancias mas altas se puede utilizar para reducir las corrientes de falla disponibles o impedancias más bajas para reducir la caída de tensión bajo una alta corriente de baja tensión y condiciones de sobretensión.

Al especificar los transformadores, mejor es consultar los boletines del fabricante para las impedancias, ya que pueden variar considerablemente.

Tabla 2 – Valores de impedancia aproximados para transformadores

26400, 34 400V

Impedancia de diseño (%)
Intervalo media tension(voltios) Baja tensión,
clasificación de 480 V
Baja tensión,
clasificación 2,400 V o superior
Transformadores
2400-22 900 5.75 5.5
6.0 6.0
43 800 6.5 6.5
67 000 7.0

 

Transformadores de subestaciones secundarias

kVA Nominales Impedancia de diseño (%)
112½ hasta 225 No menos de 2
300 hasta 500 No menos de 4,5
Por encima de 500 5.75
Los transformadores de red
1000 y más pequeños 5.0
 por encima de 1000 7.0

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Evaluación de la temperatura de aislamiento.

Los transformadores se fabrican con diversos tipos de materiales para el aislamiento.

Los datos de rendimiento con referencia a la temperatura se debe hacer tomando de referencia una temperatura ambiente de 40 ° C por encima del aumento medio de la temperatura del conductor, medida por una resistencia.

La Tabla 3 representa los requisitos de las normas para transformadores con pérdidas en los conductores más bajas y los correspondientes aumentos de temperatura disponibles, es importante tener presente estos valores cuando se desea un mayor esperanza de vida y la reducción de los costos de operación del transformador .

Por ejemplo, un sistema de aislamiento Clase 105 permite un aumento de 55 ° C con una temperatura máxima total de 105 ° C (Ambiente 40°C+transformador 55°C+Diferencial pto mas caliente 10°C). Un sistema de aislamiento Clase 120 permite un aumento de 65 ° C con una temperatura máxima admisible total de 120 ° C. Se permite una subida 80 ° C para una Clase 150, se permite un aumento de C 115 ° para una clase 185, y se permite un aumento de C 150 ° para una Clase 220.

Materiales o combinaciones de materiales que pueden ser incluidos en cada clase de aislamiento se especifican en IEEE C57.12.00-2010 (ANSI).

clase-de-aislamiento-transformadores

Tabla 3 – Temperatura nominal de Aislamiento en ° C

Temperatura media del conductor. * elevación ° C (Rise) Máxima temperatura ambiental ° C Diferencial de temperatura del punto caliente * ° C La temperatura máxima total admisible ° C Clase de sistema de aislamiento ° C
55 40 10 105 105
65 40 15 120 120
80 40 30 150 150
115 40 30 185 185
150 † 40 30 220

* Máxima carga nominal continua.
† transformadores de tipo seco utilizando un sistema de aislamiento 220 ° C se pueden diseñar para aumentos de temperatura más bajas (115 ° C o 80 ° C) para conservar la energía, aumentar la esperanza de vida, y proporcionar una cierta capacidad de sobrecarga continua.

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Clases de aislamiento (BIL)

Las clases y BILs de aislamiento para transformadores se enumeran en la Tabla 4.

Tabla 4 – Tensión de aislamiento, clases y ensayos dieléctricos

    Transformadores secos Transformadores de distribución Inmersos en aceite Transformadores de potencia Inmersos en aceite
voltaje nominal del sistema (kV) Clase de aislamiento nivel de impulso básico (kV) prueba de baja frecuencia (kV) nivel de impulso básico (kV) prueba de baja frecuencia (kV) nivel de impulso básico (kV) prueba de baja frecuencia (kV)
 1. 1.2 10 4 30 10 45 10
2.4 2.5 20 10 45 15 60 15
4.8 5.0 30 12 60 19 75 19
8.32 8.7 45 19 75 26 95 26
14.4 15.0 60 31 95 34 110 34
23.0 25.0 110 37 125 40 150 50
34.5 34.5 150 50 150 50 200 70

Es importante tener presente el BIL (Nivel básico de aislamiento) del transformador de acuerdo a a la altura de instalación.

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Niveles de ruido.

Los niveles sonoros admisibles se enumeran en las Tablas 5 y 6. Los niveles de sonido del transformador puede ser un problema en el interior de los edificios comerciales y oficinas, especialmente donde se requiere una relativa calma, como en salas de conferencias y ciertas zonas de oficinas.

Las normas de cada país pueden requerir niveles de sonido para transformadores por debajo de los especificados en estas dos tablas.

Los efectos de los niveles de sonido para transformadores se pueden reducir al mínimo mediante la colocación de estos en habitaciones separadas, el uso de almohadillas o amortiguadores de vibraciones para el montaje, y evitar el montaje de transformadores cerca de plenums o escaleras donde el sonido se pueda dirigir a áreas de trabajo.

Siempre se recomienda la conexión de los transformadores con conexiones flexibles desde el transformador hasta los buses de barras para disminuir la transmisión de vibraciones.

Tabla 5 – Niveles de ruido para los transformadores de tipo seco en dB

Dos devanados equivalentes 
kVA
Autoventilado ventilado
[1]
Autoventilado sellado
[2]
Aire forzado ventilación incorporada
[3]
0-9 45 45
10-50 50 50
51-150 55 55
151-300 58 57
301-50 60 59
501-700 62 61
701-1000 64 63
1001-1500 65 64
1501-2000 66 65
2001-3000 68 66
3001-4000 70 68
4001-5000 71 69
5001-6000 72 70
6001-7500 73 71
0-1167 67
1168-1667 68
1668-2000 69
2001-3333 71
3334-5000 73
5001-6667 74
6668-8333 75
8334-10 000 76

Las columnas 1 y 2 – Valoración de la clase AA, columna 3 – Clase FA y clasificación AFA.

Tabla 6 – Niveles de ruido para una sola fase y aceite trifásico de transformadores Refrigerado en dB

Dos devanados equivalentes kVA sin ventiladores Con los ventiladores
0-300 56
301-500 58
501-700 60 70
701-1000 62 70
1001-1500 63 70
1501-2000 64 70
2001-3000 65 71
3001-4000 66 71
4001-5000 67 72
5001-6000 68 73
6001-7500 69 73
7500-10 000 70 74

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Contenido de armónicos en la carga.

Desarrollos muy recientes han indicado daños de ciertos tipos de transformadores debido a las cargas no lineales , que causan tercer y armónicos superiores fluyendo a través de los devanados.

Estos armónicos están presentes, debido a las cargas como las computadoras, variadores de velocidad, balastos electrónicos, luces HID, hornos de arco y las cargas eléctricas similares, para compensar este tipo de cargas se debe considerarse la posibilidad de especificar un transformador especial que está diseñado para soportar estos corrientes armónicas y los flujos que producen en los núcleos, los tipo K.




 

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