Como es la Transferencia de calor

Producto Integrador

Calculo de la transferencia de calor en un transformador de distribución de media tensión

1. Introducción

En este trabajo mediante un investigación se presenta una solución analítica de la ecuación de transferencia de calor unidimensional para el proceso térmico que se lleva a cabo en un transformador monofásico por conducción-convección a través del debando, el aceite de enfriamiento así como tuberías y radiador.

Siendo que para una mayor exactitud en los resultados se requiere de estudios más a fondo con ecuaciones y conocimientos de los cuales aún no se tiene noción, algunos aspectos no se tomaran en cuenta en este trabajo, como algunas características hidrodinámicas del aceite, la radiación entre otras cosas.

2. Marco teórico

Un transformador es un dispositivo con dos o más circuitos eléctricos que están físicamente separados pero que están acoplados mediante un campo magnético común, y sirven para transformar el voltaje y la corriente.

Los transformadores se pueden clasificar en transformadores de potencia y distribución. Los transformadores de distribución son aquellos que proporcionan la trasformación desde 50kV a voltajes menores y hasta un nivel de la red de distribución final. Aquí en México los voltajes nominales primarios (entrada del transformador) son de 34.5kV, 33kV, 13.8kV y 4.16kV mientras que los voltajes nominales secundarios (salida del transformador) son 440V, 220V y 110v.

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Fig.1 Transformador Trifásico de Media Tensión

Existe una gran variedad en transformadores de distribución que varían en tamaños que van de los 5kVA hasta los 1000kVA.

Los transformadores pueden usarse para elevar o reducir el voltaje dependiendo de la necesidad y aplicación, entonces sus devanados se llaman Devanados de alto/bajo voltaje en lugar de devanados primarios/secundarios.

Cuando se presenta una falla en un transformador de este tipo representa un importante impacto económico en la operación de una red eléctrica. Dentro del diseño térmico del transformador el punto de máxima temperatura del conductor (TPC) del devanado es uno de los parámetros más importantes que rigen la vida útil del transformador.

Se sabe que el paso de la corriente genera calor debido al efecto Joule (RI2), por lo que un incremento en la corriente (echo que ocurre inusualmente) crearía a su vez un incremento en la temperatura, provocando degradación en el aislante de los embobinados y subsecuentemente una falla térmica. La generación de calor debe ser  disipada en los radiadores. Estos dispositivos a pesar de que son bastante eficientes no evitan que las temperaturas de los devanados se puedan incrementar a niveles donde peligra el aislante eléctrico.

Para obtener la máxima potencia del transformador y al mismo tiempo, evitar problemas térmicos, es importante el estudio cuidadoso del comportamiento térmico.

Para determinar los límites de carga a corto y largo plazo de un trasformador, es necesario estimar la temperatura antes mencionada (TPC), para que el diseñador de transformadores pueda controlar dicha temperatura y le permita optimizar el funcionamiento térmico del trasformador. Además el cálculo de la TPC ayuda en la estimación de la vida útil del aislamiento del devanado del transformador.

3. Consideraciones

3.1 Núcleo del trasformador

Los transformadores se pueden clasificar también en base a la construcción de su núcleo. Existen 2 tipos, forma de “núcleo” y forma de “coraza”. La diferencia se muestra en la Figura 2, en un diseño en forma de núcleo, los devanados están embobinados o apilados alrededor del núcleo.

En los transformadores tipo núcleo, los devanados son circulares alrededor del núcleo, un núcleo con sección transversal circular es ideal para incrementar el área de flujo magnético, es por ello que en esta ocasión se utilizara un transformador tipo núcleo como referencia para el análisis.

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Fig. 2 Tipo de transformadores por su construcción de núcleo

Los núcleos de transformadores son usualmente hechos de hojas de acero rolado en frío con un contenido de 3% de silicio. Son hechas normalmente en el rango de 0.23 a 0.46 mm de espesor y hasta 1 metro de ancho. La característica más importante es su perdida específica (W/kg). El fabricante proporciona su curva de pérdida que muestra la pérdida total como una función de la densidad de flujo magnético a cierta frecuencia.

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Fig.3 Transformador tipo Núcleo

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Fig.4 Ejemplo de curva pérdidas del núcleo

3.2 Aceite de transformador

Tanto para el diseñador como para el usuario de un transformador lleno de aceite puede ser de valor tener algún conocimiento de las propiedades del aceite alojado dentro del transformador y dar una idea de las formas en las cuales el aceite realiza funciones de enfriamiento y aislamiento dentro de un transformador.

3.2.1 El aceite como refrigerante

El cobre y el hierro en el núcleo producen pérdidas de energía las cuales se presentan en forma de calor. Como resultado se presenta un incremento de temperatura en el transformador. Para la mayoría de los transformadores, la temperatura límite esta fija por el tipo de aislamiento de papel, pero en general se limita a un valor en la región de 100°C. Para la mayoría de los transformadores, el aceite mineral es el más eficiente medio de absorber calor del núcleo y devanados y así mismo transmitirlo a las superiores exteriores y/o radiador.

3.2.2 El aceite como un aislador

En todos los transformadores existen partes a diferentes potenciales y existe la necesidad de aislarlas unas de las otras. Si el costo del transformador va a ser mínimo, la separación entre estas diferentes partes debe reducirse. Esto significa que el transformador debe ser capaz de operar a altos esfuerzos eléctricos.

3.3 Diseño del sistema de enfriamiento del transformador

En transformadores inmersos en aceite, como ya se mencionó el aceite realiza una función dual como aislante y medio de enfriamiento. El calor generado debido a las pérdidas del transformador se disipa al aire circundante del transformador por medio del aceite dentro del transformador. El calor generado puede disiparse en muchas maneras. En el caso de transformadores de distribución, el tanque y algunos radiadores son suficientes, mientras que en transformadores de potencia se usa enfriamiento adicional por medio de ventiladores de enfriamiento (convección forzada) o bombas de aceite. El método de enfriamiento de transformadores de distribución se conoce como ONAN (aceite natural, aire natural) de acuerdo con IEC 60076 ó OA (aceite, aire) según la ANSI C57.

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