CAPITULO 8

POTENCIA NOMINAL Y SOBRECARGA DE TRANSFORMADORES

Objeto

Al proponer máquinas (en particular transformadores) para satisfacer dadas condiciones de carga surge la necesidad de profundizar en el significado del término potencia nominal.

Por otra parte al someter a la máquina a distintas condiciones de carga y de ambiente, es necesario verificar que éstas no impliquen funcionamientos no aceptables, particularmente que no comprometan su duración (vida útil).

En particular a veces la carga supera la potencia nominal, y es necesario aceptar esta situación logrando evaluar sus consecuencias.

Al buscar respuestas rápidas, la lectura superficial de distintas normas, documentos de trabajo, libros y artículos, de distinto origen y de distintas épocas, conducen a dudas que evolucionan llegándose a confusiones, que en este trabajo se intentan aclarar o al menos plantear.

Introducción

El tema que proponemos exige consultar, leer e interpretar normas, por lo que antes de iniciar su tratamiento, es bueno reflexionar un poco sobre como se origina la terminología que los técnicos utilizamos cuando deseamos no dejar lugar a la libre interpretación.

"Standard": una palabra común de origen inglés utilizada cada vez con más frecuencia. ¿Pero qué es un standard? La palabra standard que significa tipo, modelo, se utiliza también con la acepción de norma, es decir documento que define la modalidad que se debe adoptar para garantizar reproducibilidad y calidad de productos o tecnologías, en lo referente a los procedimientos de fabricación, medición, control, calificación y certificación.

A nivel internacional, con el objetivo de coordinar los esfuerzos de distintos países, existe la organización IEC (International Electrotechnical Commision) creada en 1904 como ramificación de la ISO (International Organisation for Standardisation), ente para la estandarización (normalización).

Las relaciones ISO/IEC están convalidadas por un acuerdo operativo que establece las condiciones de cooperación, división de responsabilidades y esferas de actividad.

El objetivo de IEC es promover la cooperación internacional en los ámbitos de la electrotecnia, electrónica y correspondientes tecnologías, con el fin de desarrollar la normalización.

Los trabajos de tipo técnico de la IEC (normas, recomendaciones, y otros documentos en distintas etapas de elaboración) se desarrollan dentro de los Comités Técnicos y Subcomités, de cuyas reuniones participan los países miembros.

Además los Comités Técnicos y Subcomités pueden originar grupos de trabajo (working group) cuyos objetivos se fijan en el momento de su creación y pueden ser actualizados o variados oficialmente.

Para conseguir sus objetivos institucionales, IEC está abierta a la cooperación con las organizaciones involucradas en el sector.

Dentro del Mercado Común Europeo, con estos mismos objetivos, y complementando y cooperando en las tareas de IEC se ha creado CENELEC (Comité Européen de Normalisation ELECtrotechnique), la validez de sus resoluciones lógicamente está limitada a su área, pero su influencia se está extendiendo a otros países.

Vale la pena destacar, a fin de que se aprecie el trabajo de normalización en su justa magnitud, que el tiempo medio para la publicación de una norma es de alrededor de cinco años, últimamente las distintas organizaciones implicadas en los procesos de normalización han realizado notables esfuerzos para acortar estos períodos, al mismo tiempo se ha incrementado el número de normas, se han revisado y rehecho muchas, complementándolas con documentos aclaratorios, guías de aplicación.

Definiciones - Condiciones normales de servicio

La potencia nominal de los transformadores se define en la norma IEC 76-1 punto 4 para:

- cada arrollamiento

- condiciones de carga continua (permanente)

Se la considera referencia para los valores de garantías y ensayos de pérdidas, y de sobreelevación de temperatura.

Si se asignan distintos valores de potencia para distintos métodos de refrigeración, la potencia nominal es el mayor de estos valores, por ejemplo, para un transformador de tipo ONAN/ONAF su potencia nominal corresponde a la condición ONAF.

Para transformadores inmersos en aceite la norma IEC 76-1 en el punto 1.2 establece las condiciones normales de servicio que son:

- La altitud sobre el nivel del mar no debe exceder los 1000 m, (recordemos que con la altura varía la densidad del aire su capacidad de enfriamiento).

- La temperatura del aire ambiente no debe ser inferior a -25 C ni superior a 40 C (este es el rango normal).

- Cuando se utiliza agua de enfriamiento su temperatura a la entrada no debe ser superior a 25 °C.

Es lógico definir la potencia nominal del transformador en condiciones normales, si no se hace así la potencia nominal se transforma en una variable ligada a condiciones arbitrarias de servicio.

Para transformadores inmersos en aceite y refrigerados por aire, la norma IEC 76-2 en el punto 4.3.1, fija otras limitaciones referentes a las condiciones de temperatura en el lugar de instalación del transformador, no debiéndose exceder los siguientes valores:

- temperatura promedio mensual del mes más caluroso 30 °C

- temperatura promedio anual 20 °C (definido como doce ava parte de la suma de los promedios mensuales)

Para transformadores inmersos en aceite la norma IEC 76-2 en el punto 4.2, establece algunos límites de sobreelevación de temperatura para servicio continuo con potencia nominal (tabla 1).

Tabla 1 - Sobreelevación de temperatura para transformadores inmersos en aceite o líquido sintético con aislación 'clase A' (105 °C) .

Sobreelevación del aceite en la parte superior 60 K

Sobreelevación media del devanado

(medido por variación de resistencia)

para transformadores ON u OF

para transformadores OD

 

65 K

70 K

Las condiciones normales y adicionales relativas a la refrigeración para los transformadores secos están fijadas en la norma IEC 726, si se trata de transformadores secos para intemperie, en cambio para interior la temperatura del aire refrigerante no puede ser menor de -5 °C.

La norma IEC 726 en el punto 10.1 establece límites de sobreelevación de temperatura para servicio continuo con potencia nominal (tabla 2).

En ambos casos al tratar los límites de sobreelevación sólo se hace referencia a devanado y aceite pero no se indican límites para el núcleo, partes metálicas, materiales adyacentes, conexiones fuera de los devanados y partes estructurales de la cuba, estas sobreelevaciones deben limitarse a valores tales que no puedan causar daños y (si corresponde) un envejecimiento indebido del aceite.

Tabla 2 - Límites de sobreelevación de temperatura en función de la clase del sistema aislante.

Parte Temp. del sistema aislante (°C) (1)

Sobreelevación de temperatura (K)

Sobreelevación media del devanado (medido por variación de resistencia)

105 (A)

120 (E)

60

75

130 (B)

155 (F)

180 (H)

200 (*)

220 (C)

80

100

125

135

150

Notas:

(1) valores indicados en la norma IEC 726 (1982), Ammendement N° 1 (1986).

(*) valor indicado en la norma italiana CEI 14-8 "Transformatori di potenza a secco" (abril 1992).

Para grandes transformadores las normas recomiendan especialmente investigar mediante ensayos especiales estos límites.

Por ejemplo para transformadores cuya potencia supera los 250 MVA, es necesario poner atención al problema que presenta el flujo de dispersión en la máquina.

En efecto durante una sobrecarga mantenida pueden presentarse condiciones de saturación en las pantallas magnéticas que son utilizadas para conducir este flujo.

Este incremento del flujo puede provocar rápidos incrementos de temperatura en las partes metálicas afectadas (cuba, elementos de fijación), con el peligro que ello implica.

Hechas estas consideraciones se entiende la definición de la norma IEC 76-1, para un transformador de dos arrollamientos: el transformador recibe la potencia nominal, cuando se aplica la tensión nominal en el circuito primario, y circula la corriente nominal en el circuito secundario.

Observando en otra forma los valores definidos son tensión nominal, corriente nominal, sobreelevación de temperatura nominal, la potencia nominal surge como consecuencia (tensión por corriente, respetando la limitación de temperatura).

El transformador debe ser capaz de conducir en servicio continuo la potencia nominal (para transformadores de más de dos arrollamientos las combinaciones especificadas de las potencias de los arrollamientos) sin exceder límites de temperatura impuestos.

Esta interpretación de potencia nominal (según IEC) implica que se trata de un valor de potencia aparente entregada al transformador (ingresa), es decir, incluye sus propias pérdidas de potencia activa y reactiva. En consecuencia la potencia (aparente) que el transformador entrega desde su secundario, cuando se lo alimenta con la tensión nominal primaria, difiere (es menor, con factor de potencia inductivo) de la potencia nominal. La tensión en bornes del secundario debido a las caídas (también) es menor que la tensión nominal (y depende del factor de potencia).

La definición utilizada por las normas de los Estados Unidos (ANSI/IEEE C57.12.00) es distinta, y dice que la ‘potencia nominal en kVA es la potencia que puede entregar con ... valor nominal de la tensión secundaria ...’, comparando observamos que se trata de la potencia que sale.

De acuerdo con esta definición, se deben tener en cuenta durante el diseño las caídas, debido a que el transformador tiene que ser alimentado con la tensión necesaria en el primario para lograr la tensión nominal (en carga) en el secundario. En el punto ‘Condiciones usuales de servicio’ se especifica el factor de potencia igual o mayor de 80%, en rigor para determinar la caída de tensión debe conocerse el factor de potencia.

Esta norma fija el valor de sobreelevación de temperaturas media del devanado que para el caso particular de transformadores de distribución es 65 K, comparable al valor fijado por la norma IEC.

Pongamos el transformador en un estado de carga (hagamos un ensayo ficticio) fijando todos los parámetros convenientes, en particular la sobreelevación de temperatura y la corriente (nominal), fijando además la tensión secundaria en el valor nominal, queda definido el estado de pérdidas.

Observando esta condición de funcionamiento desde el punto de vista ANSI podemos definir la potencia nominal U2 I2 (tensión nominal por corriente nominal secundarias). La relación de transformación de este transformador es U1 U2 (valores nominales).

Para lograr la tensión nominal secundaria, es necesario que la tensión de alimentación del transformador en esta prueba sea U1 + U (este último término depende de la impedancia y del factor de potencia de la carga).

Si observamos el funcionamiento del transformador en estas condiciones desde el punto de vista IEC diremos que su potencia nominal es (U1 + U) I1 pero seguramente U1 + U no será una tensión normalizada.

Como el transformador tiene aplicada una tensión U1 + U, también desde el punto de vista IEC esta será su tensión nominal primaria, y la secundaria (en vacío) resultará incrementada en la misma proporción.

Las definiciones de potencia nominal propuestas por las normas citadas no son compatibles, en consecuencia los valores correspondientes no son comparables.

En el afán de cubrir variedad de condiciones (presumiendo ventaja en ello) frecuentemente se observa en algunas especificaciones técnicas, que se hace referencia a distintas normas lo que puede conducir a tener que comparar equipos con algunas características que finalmente no pueden ser comparadas.

La conclusión inmediata desde hace mucho difundida, pero no por ello respetada, es que no se debe hacer mezcla de normas, la segunda se debe hacer referencia a la norma que conocen tanto el utilizador como los eventuales proveedores, de manera de saber todos y con certeza de que se trata.

Condiciones particulares de servicio

Como arriba citado las condiciones de temperatura en el lugar de instalación del transformador, no deben superar los valores fijados para las temperaturas promedio mensual y promedio anual.

Si las condiciones de temperatura del lugar exceden uno de estos límites, la norma (IEC 76-2 punto 4.3.1) dice que los valores de sobreelevación de temperatura especificados se deben reducir en el mismo valor en que se exceden las temperaturas promedio.

Con este criterio el transformador será utilizado como si estuviera en condiciones normales, limitándose igualmente en ambos casos la temperatura máxima.

Frecuentemente se supone proporcionalidad entre pérdidas y sobreelevación de temperatura, pero la norma propone afectar las pérdidas con un exponente comprendido entre 0.8 y 1 (según tabla 3) para corregir la sobreelevación de temperatura del aceite.

donde:

Pcc: pérdidas en carga totales

K: factor de carga o relación de corrientes (I/In)

P0: pérdidas en vacío

K: salto de temperatura del aceite para el estado de carga K

n: salto de temperatura del aceite para la condición nominal

x: exponente

Tabla 3 - Valores del exponente "x"

Tipo de transformador y forma de refrigeración x

transformadores de distribución (refrigeración natural y potencia nominal hasta 2500 kVA

0.8

transformadores más grandes con refrigeración natural en aceite ON..

0.9

transformadores con circulación forzada o dirigida del aceite OF.. o OD..

1.0

Se puede despejar el valor de K obteniéndose el factor de corrección de la corriente que el transformador puede entregar al haberse reducido el límite de temperatura.

Obsérvese que si se desprecian las pérdidas en vacío P0 se comete un error importante, en la determinación de la reducción de la carga, también se comete un error cuando no se acierta el valor correcto del exponente.

Con la relación de corrientes se puede determinar la variación de sobreelevación de temperatura media del devanado respecto a la temperatura media del aceite, para lo cual la norma también propone un exponente que se indica en la tabla 4.

donde:

K: salto de temperatura del devanado respecto al aceite para el estado de carga K

n: salto de temperatura del devanado respecto al aceite para el estado de carga normal

Tabla 4 - Valores del exponente "y"

Tipo de transformador y forma de refrigeración y

transformadores con circulación del aceite natural o forzada (ON.. y OF..)

1.6

transformadores con circulación del aceite dirigida OD 2.0

A medida que la temperatura ambiente aumenta el factor de carga K se reduce y la figura 1 muestra como varía este factor en función de la temperatura media anual para dos transformadores, ambos respetan los límites de temperatura del aceite en la capa superior de 80 °C y media del devanado de 85 °C.

Para el primer transformador (curva 1) con temperatura ambiente de 20 °C la temperatura del aceite se encuentra en el límite, para el segundo en cambio con la misma temperatura ambiente el aceite está a 70 °C. Los restantes parámetros que permiten el cálculo son: exponentes x = 0.8 e y = 1.6 y relación de pérdidas cobre/hierro igual a 5.

En el primer transformador por debajo de la temperatura media de 20 °C el límite está impuesto por la condición de no superar los 85 °C de temperatura del devanado, mientras que por arriba la condición es no superar 80 °C de temperatura del aceite.

En el segundo transformador (curva 2) en cambio el límite está fijado por el devanado salvo con temperatura media de 60 °C donde el límite está impuesto por el aceite.

Para temperaturas medias anuales mayores el segundo transformador tiene factores de carga superiores al primero, es decir, puede entregar más potencia sin superar los límites establecidos por las normas.

Otro problema que debe ser considerado es que en ciertas condiciones de servicio un transformador debe funcionar con corriente con una forma de onda no sinusoidal, la consecuencia es que las pérdidas en carga son superiores a aquellas que se obtienen durante los ensayos donde se cuida que la tensión de alimentación esté libre de armónicas.

Consideraciones ligadas a los ensayos de calentamiento

Es importante destacar que en la especificación técnica de un transformador se debe indicar para su diseño además de su potencia nominal y tensiones nominales, la categoría de regulación de tensión, el devanado que tiene los topes, el rango de regulación y el número de posiciones.

Algunos topes pueden resultar de potencia reducida debido a restricciones en la corriente, cuando se presentan estas limitaciones se denominan topes de corriente máxima.

Cuando la regulación de la tensión es combinada, es decir, parte del rango de regulación se hace a flujo constante y el resto a flujo variable, también pueden presentarse restricciones en la tensión, estos se denominan topes de tensión máxima.

Debido a que magnitudes como las pérdidas en vacío y la corriente de vacío, en el caso de regulación a flujo variable o combinado, presentan valores variables para las distintas tomas, los valores de garantía deben ser motivo de acuerdo entre usuario y fabricante.

Frecuentemente se especifica que al variar la relación de transformación, la potencia del transformador se mantiene constante hasta un límite a partir del cual la corriente es constante (con reducción de su potencia), para este punto de funcionamiento se presentan las máximas pérdidas en carga.

En transformadores con dos devanados hasta 2500 kVA inclusive con topes de regulación cuyo rango no excede 5%, el límite del valor de corriente para la zona de regulación negativa es el valor de la corriente nominal, lo que significa que el tope principal es el de máxima corriente.

Los transformadores de distribución están comprendidos dentro de esta gama de potencia y rango de regulación.

Otras normas de transformadores de distribución indican en cambio que el transformador debe mantener la potencia nominal aún en la toma de menor tensión.

Se pueden especificar restricciones para los topes de tensión o corriente si el rango de regulación excede ± 5%, pudiendo superarse considerablemente los valores nominales.

Cuando se especifican estas restricciones, los topes correspondientes pueden resultar de potencia reducida.

En este último caso de acuerdo con la norma, el ensayo para determinar la sobreelevación de temperatura puede realizarse para una sola posición del regulador, la condición más desfavorable es aquella para la cual las pérdidas en carga son máximas.

El caso más complejo es el que se presenta cuando se estudia un transformador de tres arrollamientos con cargas en sus arrollamientos que no son semejantes.

Se propone intentar el análisis correspondiente a un transformador de tres arrollamientos, en el cual un arrollamiento alimenta hornos eléctricos (factor de potencia igual a 0.7..0.8) y otro arrollamiento alimenta bancos de capacitores de compensación (factor de potencia igual a cero).

La máxima temperatura del aceite se presenta lógicamente en la condición de máximas pérdidas, por lo que es necesario identificar la resistencia de cada arrollamiento y según su estado de carga encontrar las pérdidas correspondientes y las pérdidas totales, buscando entre las distintas combinaciones de cargas posibles la que interesa como caso más desfavorable.

Para autotransformadores se debe actuar en forma análoga, buscando también la condición de máximas pérdidas.

La norma IEC 76-2 en el punto 4.2 establece que si se especifican garantías y/o pruebas especiales respecto de ciclos de carga, éstas deben indicar los siguientes valores y observaciones:

- la condición de temperatura inicial del transformador, tanto la temperatura ambiente como el aumento de temperatura en régimen permanente correspondiente a una fracción especificada de la corriente nominal (precarga).

- la magnitud de la corriente de ensayo (constante) expresada como múltiplo de la corriente nominal y su duración.

- la máxima sobreelevación de temperatura admisible para el aceite superior y promedio para los devanados (variación de resistencia) al final de la prueba.

- cualquier observación especial o mediciones a realizar, por ejemplo medición directa de temperatura del punto caliente, termografía del calentamiento de las paredes de la cuba, y limitaciones posibles con respecto a ello.

Los ensayos deben respetar estas condiciones y deben comprobarse los valores garantizados.