REVISIÓN DE DISEÑO ELECTRODINÁMICO DE TRANSFORMADORES

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Industrial Especialidad en Electricidad

REVISIÓN DE DISEÑO ELECTRODINÁMICO DE TRANSFORMADORES

Autor: Alejandro Moreno Siller

Tutor: Juan Carlos Burgos Díaz

Leganés, Enero de 2011

Índice

1.        INTRODUCCIÓN. OBJETIVOS        

2.        CÁLCULO DE LAS IMPEDANCIAS DE CORTOCIRCUITO        

3.        CÁLCULO DE LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO        

4.        CÁLCULO DE LAS  FUERZAS DE CORTOCIRCUITO        

5.        CÁLCULO DE LA CAPACIDAD PARA SOPORTAR ESFUERZOS  DE CORTOCIRCUITO        

6.        CONCLUSIONES. SUGERENCIA PARA FUTUROS PROYECTOS        

7.        BIBLIOGRAFÍA        

Capítulo 1

Introducción

1. Introducción y objetivos

1. Introducción

Desde los orígenes de los sistemas eléctricos, surgidos a partir del desarrollo incesante de nuevas aplicaciones de la electricidad (que hizo posible el uso del alumbrado público, la utilización de maquinaria no dependiente de la generación de vapor, etc… atendiendo las necesidades de la sociedad surgida de la revolución industrial) el transformador se constituyo como elemento indispensable para el transporte masivo de electricidad  desde los lugares donde se encuentran las fuentes naturales de los mismos (generación), hasta los puntos de consumo, generalmente bastante alejados de la generación. Esta capital importancia del transformador en el transporte de la electricidad surge de la necesidad de disminuir todo lo posible las pérdidas, para lo cual se debe elevar la tensión de la energía eléctrica para su transporte, mientras que en los centros de consumo prima la seguridad de las personas y la economía de equipos, lo que requiere reducir la tensión hasta niveles adecuados para el consumo en los puntos de destino. Por tanto el transformador es el nexo de unión entre generación y consumo, así como entre las distintas redes a diferente tensión que se utilizan para el transporte y distribución de la electricidad.

En un transformador de potencia cuyo arrollamiento primario está conectado a una red de transporte o distribución a su tensión nominal, las corrientes que circulan tanto por el arrollamiento primario como por el secundario, cuando se produce un cortocircuito en el secundario, están determinadas por la impedancia de cortocircuito de dicho transformador. Asimismo, influye la potencia de cortocircuito de la red en dicho punto, o lo que es lo mismo, la impedancia equivalente del circuito Thévenin que modela la red en dicho punto. En el caso de los transformadores de potencia estas corrientes son del orden de 8 a 10 veces superiores a la corriente nominal del transformador.

Las corrientes de cortocircuito provocan dos tipos de esfuerzos en el transformador: esfuerzos térmicos y esfuerzos dinámicos. Si el transformador no es capaz de soportar los esfuerzos térmicos y dinámicos a los que está sometido durante un cortocircuito se puede producir un deterioro de los aislamientos tal que el cortocircuito externo se traduzca en un cortocircuito interno; en tal caso es indispensable efectuar una reparación en la máquina o, eventualmente, llevarla a achatarrar.

Los esfuerzos térmicos se traducen en una elevación de temperatura de los elementos del transformador que, en caso de ser excesivamente elevada,  puede reducir la vida de los materiales aislantes. No obstante, la temperatura que alcanza un equipo depende del calor generado, de la constante de tiempo y del tiempo durante el cual se mantenga dicha generación de calor. El tiempo durante el cual un transformador está sometido a las corrientes de cortocircuito depende del ajuste de las protecciones, pero en general es un tiempo muy reducido (habitualmente de 40 ms, pero en todo caso inferior a 150 ms). La constante de tiempo que gobierna el incremento de temperatura es del orden de minutos, e incluso de horas (depende de la potencia del transformador), de modo que es mucho más elevada que la duración de la falta. Debido a ello, los esfuerzos térmicos no suelen suponer un inconveniente importante en un transformador. En cualquier caso, la normativa internacional [UNE-EN 60076-5] especifica que un transformador debe ser capaz de soportar un cortocircuito durante dos segundos. Los transformadores de potencia deben pasar una serie de ensayos entre los que se encuentran los ensayos de calentamiento. La norma indicada proporciona una expresión para comprobar la aptitud del transformador para soportar los esfuerzos térmicos de cortocircuito.

Los esfuerzos dinámicos se traducen en fuerzas de valor elevado a las que se ven sometidos los arrollamientos del transformador debido a las elevadas corrientes de cortocircuito. Estas fuerzas proporcionales al cuadrado de dichas corrientes de cortocircuito, pueden alcanzar valores de 107 N, valores muy superiores a los que se alcanzar durante el funcionamiento normal de la máquina. A diferencia de lo que ocurre con los esfuerzos térmicos, los esfuerzos dinámicos son instantáneos, de modo que la máxima fuerza a la que se ven sometidos los arrollamientos del transformador se produce en el instante de tiempo en el que la corriente alcanza un máximo.

El valor de cresta de la corriente de cortocircuito depende del valor eficaz de la tensión aplicada y del ángulo de fase de la onda de tensión en el momento del cortocircuito, así como de la constante de tiempo del circuito eléctrico.

Las estructuras que sustentan a los arrollamientos deben ser dimensionadas de forma que resistan estos elevados esfuerzos sin que se produzcan deformaciones permanentes en ellos y sean capaces de limitar las vibraciones de la máquina durante un tiempo mínimo.

Para evitar deformaciones permanentes que pudieran producir daños mecánicos (roturas) en el aislamiento, se deben dimensionar adecuadamente, tanto térmica como dinámicamente, los arrollamientos del transformador.

La normativa permite verificar la capacidad de un transformador para soportar cortocircuitos de dos formas distintas: mediante ensayos o por cálculo. Los ensayos de aptitud para soportar cortocircuitos de un transformador son caros, además, en el caso de transformadores de grandes potencias, no existen laboratorios en España adecuados para realizar tales ensayos. Por lo que se refiere a los cálculos de aptitud para soportar cortocircuitos, la normativa no especifica cuáles deben ser las fórmulas de cálculo a utilizar.

Para calcular los esfuerzos dinámicos de cortocircuito es preciso calcular la inducción de dispersión en toda la ventana del transformador. La inducción magnética es un vector que tiene un módulo y un argumento, o, si se desea, una componente radial y una componente axial^[1].

1. Objetivos del proyecto

El presente proyecto es fruto de un acuerdo de colaboración entre la Universidad Carlos III de Madrid y Unión Fenosa Distribución cuyo objetivo es elaborar una aplicación informática básica que sirva como elemento de apoyo en la revisión de diseño a la que se le somete a los transformadores de nueva adquisición.

Dicha aplicación informática pretende, a partir de los datos suministrados por el fabricante sobre la geometría, forma constructiva y materiales empleados, obtener datos tales como la impedancia de cortocircuito del transformador, corrientes de cortocircuito, fuerzas axiales y radiales a las que se ve sometido el transformador durante un cortocircuito y los esfuerzos a los que se ven sometidos los conductores de los arrollamientos y los apoyos en esas circunstancias. Todo ello con el fin de corroborar los cálculos realizados también por el propio fabricante u otras entidades u organizaciones especializadas en la materia, así como asegurar mediante desarrollos analíticos y cálculos numéricos que el transformador cumple con los requisitos que se le exige. Además, la revisión de diseño permite al propietario del transformador conocer el margen de seguridad con el que se ha diseñado cada una de las partes del transformador.

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