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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DISEÑO DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO INTERNO
DE UN TRANSFORMADOR REDUCTOR DE
SERVICIOS PROPIOS Y AUXILIARES QUE
OPERARÁ A UNA TENSIÓN DE 69 KV/127 V A UNA
CAPACIDAD DE 50 KVA
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO ELÉCTRICISTA
PRESENTA
ANGEL RODRIGO HERNÁNDEZ SANTIAGO
ASESOR TÉCNICO: M. C. EMILIO II CARRANZA ARTEAGA
ASESOR METODOLÓGICO: ING. VALENTINA CASTILLO LOPEZ
MÉXICO, D.F. 2013
AGRADECIMIENTOS
A mis padres Angel y Julia que sin su apoyo constante no sería la persona que soy actualmente, a
mi hermana Andrea por brindarme su gran apoyo e incontables momentos de risas.
Al profesor Emilio II el cual me indujo en este camino del conocimiento y dedicación.
"La vida es y siempre seguirá siendo una ecuación incapaz de resolver, pero tiene ciertos factores
que conocemos"
Nikola Tesla
ÍNDICE
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................................................... I
OBJETIVO ...................................................................................................................................................... II
OBJETIVOS ESPECIFICOS............................................................................................................................ II
JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................................... III
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... IV
CAPÍTULO I
MATERIALES AISLANTES UTILIZADOS EN EL TRANSFORMADOR
1.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 8
1.2 AISLANTES LÍQUIDOS ............................................................................................................................. 9
1.2.1 EL ACEITE ........................................................................................................................................... 9
1.3 AISLANTES SÓLIDOS ............................................................................................................................. 15
1.3.1 EL PAPEL .......................................................................................................................................... 15
1.2.2 PAPEL IMPREGNADO CON ACEITE ........................................................................................... 17
1.2.3 EL CARTÓN (PRESSBOARD) ....................................................................................................... 20
CAPÍTULO II
AISLAMIENTOS INTERNOS DEL TRANSFORMADOR
2.1 ASPECTOS GENERALES ...................................................................................................................... 23
2.2 TIPOS DE AISLAMIENTOS INTERNOS ............................................................................................... 24
2.2.1 AISLAMIENTO ENTRE VUELTAS ................................................................................................. 24
2.2.2 AISLAMIENTO ENTRE CAPAS ..................................................................................................... 25
2.2.3 AISLAMIENTO PRINCIPAL ............................................................................................................ 25
2.2.4 AISLAMIENTO FINAL ...................................................................................................................... 26
2.3 PRUEBAS APLICADAS A LOS AISLAMIENTOS INTERNOS DEL TRANSFORMADOR ............. 27
2.3.1 PRUEBA DE TENSIÓN DE IMPULSO POR MANIOBRA .......................................................... 27
2.3.2 PRUEBA DE TENSIÓN DE IMPULSO POR RAYO .................................................................... 28
2.3.3 PRUEBA A BAJA FRECUENCIA ................................................................................................... 29
2.3.4 PRUEBA DE TENSIÓN APLICADA ............................................................................................... 29
2.3.5 PRUEBA DE TENSIÓN INDUCIDA ............................................................................................... 31
2.3.6 FACTOR DE POTENCIA DE LOS AISLAMIENTOS DEL CONJUNTO ................................... 33
2.3.7 RESISTENCIA DE AISLAMIENTO ................................................................................................ 33
2.4 PROCESOS DE MANUFACTURA DE LOS AISLAMIENTOS DEL TRANSFORMADOR ............. 34
2.4.1 PROCESO DE SECADO ................................................................................................................. 36
2.4.2 PROCESO DE VACÍO ..................................................................................................................... 37
2.4.3 PROCESOS DE LLENADO E IMPREGNACIÓN ........................................................................ 38
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO DEL TRANSFORMADOR REDUCTOR DE SERVICIOS
PROPIOS Y AUXILIARES
3.1 GENERALIDADES ................................................................................................................................... 41
3.2 CORRIENTES EN LOS DEVANADOS Y CALIBRES DE LOS CONDUCTORES ........................... 42
3.3 ESPIRAS PRIMARIAS Y SECUNDARIAS ............................................................................................ 44
3.4 CÁLCULO DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL NÚCLEO ........................................................... 45
3.5 CÁLCULO DE LA DISTANCIA DIELÉCTRICA ENTRE EL DEVANADO DE BAJA Y DE ALTA
TENSIÓN (EBA) .............................................................................................................................................. 46
3.6 DIMENSIONAMIENTO DE LOS DEVANADOS DE ALTA Y BAJA TENSIÓN ................................. 48
3.6.1 DEVANADO DE BAJA TENSIÓN .................................................................................................. 49
3.6.2 DEVANADO DE ALTA TENSIÓN .................................................................................................. 52
3.7 DIMENSIONES DE LAS ARCADAS ...................................................................................................... 54
3.8 RESULTADOS .......................................................................................................................................... 56
3.8.1 VISTA FÍSICA DEL DEVANADO DE BAJA TENSIÓN ............................................................... 57
3.8.2 VISTA FISICA DE LA PARTE ACTIVA DEL TRANSFORMADOR .......................................... 58
CONCLUSIONES ......................................................................................................................................... 60
GLOSARIO ................................................................................................................................................... 62
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 65
ANEXOS ....................................................................................................................................................... 66
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. ACEITE MINERAL UTILIZADO EN TRANSFORMADORES (NUEVO Y VIEJO). ............................................. 12
FIGURA 2. VARIACIÓN DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA EN FUNCIÓN DE LA HUMEDAD CONTENIDA. .......................... 13
FIGURA 3. PAPEL UTILIZADO COMO AISLAMIENTO ENTRE CAPAS DE DEVANADOS................................................ 17
FIGURA 4. EFECTO DE LA HUMEDAD SOBRE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA DEL PAPEL IMPREGNADO CON ACEITE A
TEMPERATURA CONTROLADA. ....................................................................................................................... 18
FIGURA 5. ESTADOS DE EQUILIBRIO DE LA HUMEDAD CONTENIDA EN EL ACEITE Y PAPEL A DIFERENTES
TEMPERATURAS. ............................................................................................................................................ 19
FIGURA 6. CARTÓN UTILIZADO COMO MATERIAL AISLANTE ENTRE DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR. ............ 21
FIGURA 7. EJEMPLOS DE ASILAMIENTO ENTRE VUELTAS EN UN TRANSFORMADOR. ............................................ 24
FIGURA 8. AISLAMIENTO ENTRE CAPAS DE UN TRANSFORMADOR, LA SEGUNDA FIGURA MUESTRA CLARAMENTE
LA SEPARACIÓN DE CADA DEVANADO. ........................................................................................................... 25
FIGURA 9. AISLAMIENTO ENTRE DEVANADOS, COMPUESTO DE ACEITE Y CARTÓN. ............................................. 26
FIGURA 10. AISLAMIENTO FINAL DEL TRANSFORMADOR, COMO PUEDE OBSERVARSE ES EL ESPACIO ENTRE EL
FINAL DEL DEVANADO Y EL TANQUE. ............................................................................................................. 26
FIGURA 11. DIAGRAMA FÍSICO PARA LA PRUEBA DE TENSIÓN APLICADA. ............................................................. 31
FIGURA 12. DIAGRAMA ELÉCTRICO PARA LA PRUEBA DE POTENCIAL INDUCIDO. ................................................. 32
FIGURA 13. PROCESO SIMPLIFICADO DE MANUFACTURA DE TRANSFORMADORES. ............................................. 35
FIGURA 14. CONJUNTOS NÚCLEO-BOBINA SOMETIDOS AL PROCESO DE SECADO. .............................................. 36
FIGURA 15. TRANSFORMADOR REDUCTOR DE SERVICIOS PROPIOS Y AUXILIARES EN PROCESO DE
IMPREGNACIÓN, LAS PEQUEÑAS MANGUERAS SE ENCARGAN DE INYECTAR UNA PEQUEÑA CANTIDAD DE
ACEITE AL TRANSFORMADOR. ........................................................................................................................ 39
FIGURA 16. ANCHO DE LÁMINA Y ESPESOR DEL NÚCLEO...................................................................................... 45
FIGURA 17. AISLAMIENTO PRINCIPAL DEL TRANSFORMADOR. .............................................................................. 48
FIGURA 18. ARREGLO EN PARALELO DE LAS DOS BOBINAS QUE CONFORMAN AL DEVANADO DE BAJA TENSIÓN.49
FIGURA 19. DIMENSIONES GENERALES DE UNA DE LAS ARCADAS. ...................................................................... 54
FIGURA 20. DIMENSIONES DEL NÚCLEO DEL TRANSFORMADOR. .......................................................................... 55
FIGURA 21. ARREGLO GENERAL DE LA PARTE ACTIVA DEL TRANSFORMADOR. .................................................... 56
FIGURA 22. ARREGLO FÍSICO DEL DEVANADO DE BAJA TENSIÓN.......................................................................... 57
FIGURA 23. PARTE ACTIVA DEL TRANSFORMADOR (CONJUNTO ALTA Y BAJA TENSIÓN). ..................................... 58
FIGURA 24. VISTAS SUPERIOR Y FRONTAL DE LA PARTE ACTIVA DEL TRANSFORMADOR. .................................... 59
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Clasificación de los aceites minerales ..................................................................................... 10
Tabla 2. Tensiones de prueba establecidos por la IEEE para transformadores sumergidos en aceite de
acuerdo a su nivel de aislamiento. ..................................................................................................... 27
Tabla 3. Tiempos para la prueba de potencial inducido en función de la frecuencia de acuerdo a las
normas ANSI C57-72. ........................................................................................................................ 28
Tabla 4. Datos de valores nominales del transformador ....................................................................... 36
Tabla 5. Tensiones nominales primarias y secundarias ........................................................................ 37
Tabla 6. Resultados de corrientes y secciones transversales de los conductores de AT y BT ............ 38
Tabla 7. Resultados de las espiras primarias y secundarias ................................................................. 39
Tabla 8. Área neta, área física y espesor del núcleo. ............................................................................ 41
Tabla 9. Distancia dieléctrica entre el devanado de baja y alta tensión. ............................................... 42
Tabla 10. Dimensiones generales del devanado de baja tensión ......................................................... 46
Tabla 11. Alturas axial y radial del devanado de baja tensión. .............................................................. 46
Tabla 12. Dimensiones generales del devanado de alta tensión. ......................................................... 48
Tabla 13. Alturas axial y radial del devanado de alta tensión. ............................................................... 49
Tabla 14. Dimensiones generales de las arcadas que conforman al núcleo del transformador. .......... 50
I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El fundamento en el diseño de los transformadores se realiza a partir de las ecuaciones
que describen su principio de funcionamiento, estos diseños se basan en las leyes de
Faraday, ley de Ampere y todas aquellas leyes referentes a campos electromagnéticos
y campos eléctricos estáticos, así como las ecuaciones de Maxwell referentes a
electromagnetismo.
El diseño de estas máquinas es realizado a través de formulaciones que arrojan
resultados aceptables, dando de esta forma un diseño óptimo del transformador.
Específicamente, el diseño del sistema de aislamiento interno de la máquina, es un
factor se suma importancia, puesto que este sistema es uno de los más importantes,
ya que para tensiones muy elevadas se requiere un dimensionamiento dieléctrico
adecuado internamente, pues esto evitará fallas por rompimiento dieléctrico que
conllevan a descargas parciales dentro del transformador y por consiguiente una falla
total de la máquina.
Hoy en día existen procesos de diseño con un alto grado de exactitud que se basan
en métodos numéricos, los cuales dan una mayor precisión en el cálculo del diseño
optimo del transformador, la aplicación de los métodos numéricos a las leyes que rigen
el funcionamiento de la máquina dará como resultado un correcto análisis de los
fenómenos físicos involucrados en el transformador.
El correcto diseño del sistema de aislamiento interno del transformador, dará como
resultado un dimensionamiento dieléctrico óptimo y adecuado para la tensión a la que
operé la máquina, brindando una alta confiabilidad contra fallas por rompimiento
dieléctrico y descargas parciales que pudieran presentarse en la máquina.
II
OBJETIVO
Se diseñará el sistema de aislamiento interno de un transformador de servicios propios
y auxiliares que operará a una tensión de 69 𝑘𝑉/127 𝑉 con una capacidad de 50 𝑘𝑉𝐴,
partiendo del diseño elemental del transformador.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Conocer los materiales aislantes utilizados como aislamientos internos en un
transformador, así como sus propiedades dieléctricas que estos poseen.
Visualizar la aplicación de los materiales aislantes en la conformación del
sistema de aislamiento interno de un transformador.
Conocer las pruebas dieléctricas a las que son sometidos los materiales
aislantes de un transformador.
Aplicar los conocimientos básicos para el cálculo de la parte activa de un
transformador y realizar consideraciones de diseño en el cálculo del mismo.
Determinar las distancias dieléctricas específicas a partir de pruebas y cálculos
en función de los materiales aislantes utilizados.
III
JUSTIFICACIÓN
El correcto diseño de un transformador involucra una serie de procesos referentes a
su manufactura, uno de los cuales y por supuesto muy importante es el sistema de
aislamiento interno del mismo, pues este tiene dos tareas principales dentro del
transformador, proporcionar un enfriamiento a la máquina y proporcionar un
aislamiento interno entre devanados, entre capas y de cada devanado al tanque del
transformador.
Por supuesto el aislamiento interno del transformador, involucra necesariamente
distancias dieléctricas entre cada elemento del mismo (devanados, conductores,
tanque), el cálculo de estas distancias dieléctricas es de suma importancia, pues estas
determinan la separación correcta entre los elementos activos involucrados dentro del
transformador, proporcionando una correcta distancia dieléctrica para que no exista
una falla entre estos elementos, estas fallas provocan básicamente un rompimiento
dieléctrico el cual conlleva a una descarga parcial dentro del transformador, dañando
los elementos internos de la máquina.
El sistema de aislamiento interno de un transformador reductor para servicios propios
y auxiliares en comparación con el de un transformador de distribución de uso
cotidiano es en esencia diferente, pues el primero reduce la tensión desde 69 kV a 127
V lo que origina por diseño que su forma sea más robusta, consecuencia del sistema
de aislamiento interno de este transformador, ya que requiere suficientes materiales
aislantes para su diseño (papeles, cartones, ductos de aceite) para que la máquina
pueda soportar los esfuerzos eléctricos producidos por la alta tensión a la que opera
el transformador. Evitando de esta forma a través del correcto dimensionamiento
dieléctrico de la máquina, rompimientos dieléctricos que conlleven a descargas
parciales que propicien una falla segura en el transformador.
IV
INTRODUCCIÓN
Los tipos de materiales aislantes utilizados principalmente en un transformador son el
papel, el cartón y el aceite, estos materiales utilizados como aislantes internos en la
máquina deben tener ciertas características químicas, mecánicas y eléctricas que
proporcionen un aislamiento fiel a los componentes internos del transformador, de
igual forma deben de soportar los esfuerzos mecánicos y eléctricos que llegaran a
presentarse.
Los procesos de manufactura a los que son sometidos estos materiales aislantes
tienen una gran importancia, pues garantizan el mejor funcionamiento del sistema de
aislamiento del transformador, dichos procesos son: proceso de secado, proceso de
vacío y proceso de llenado e impregnación. Cada uno de ellos conlleva un determinado
tiempo el cual debe estar acorde al proceso de manufactura de la máquina,
involucrando el tiempo de producción de la empresa que se dedique al diseño de
transformadores. Cada proceso de manufactura al sistema de aislamiento tiene una
metodología que debe ser llevada tal cual, pues se exigen ciertos requerimientos para
lograr estos procesos.
Considerando los tipos de materiales aislantes y sus propiedades químicas, mecánicas
y eléctricas, dentro del diseño del sistema de aislamiento interno del transformador,
así como los procesos de manufactura a los que son sometidos, se realizará el diseño
dieléctrico (sistema de aislamiento) correspondiente a un transformador reductor de
servicios propios y auxiliares de 69 kV/127 V con una capacidad de 50 kVA, calculando
las distancias dieléctricas internas del transformador a través de un diseño analítico,
el cual prácticamente representa el diseño eléctrico básico de la máquina para poder
calcular el sistema de aislamiento adecuado del transformador, capaz de soportar
aquellos esfuerzos eléctricos y mecánicos provocados por descargas atmosféricas,
rompimientos dieléctricos y descargas parciales dentro de la máquina.
V
Los materiales aislantes utilizados comúnmente dentro de un transformador,
mencionados en el capítulo I describen sus características químicas, eléctricas y
mecánicas que deben cumplir, también se describen algunos de los efectos
relacionados con el deterioro y el envejecimiento de estos, como lo es la cantidad
de humedad contenida dentro del aceite y de los materiales a base de celulosa, así
como la temperatura que deben resistir estos materiales aislantes.
Definidos estos materiales aislantes dentro del transformador, es importante
conocer lo que son los aislamientos menores y mayores dentro de la máquina,
divididos a su vez en aislamiento entre vueltas, aislamiento entre capas, aislamiento
principal y asilamiento final, definidos en el capítulo II. Cada uno de estos
aislamientos tiene un papel muy importante en el sistema de aislamiento interno del
transformador, pues en conjunto se encargan de proporcionar mayor rigidez
dieléctrica al aislamiento interno de la máquina y de esta forma garantizar mayor
protección contra rompimientos dieléctricos y descargas parciales.
Los procesos de secado, de vacío, de llenado y de impregnación a los que son
sometidos los materiales aislantes internos del transformador, son de suma
importancia pues se requiere eliminar el mayor contenido de humedad que pudiera
estar presente en los devanados y el núcleo del transformador (parte activa), para
evitar daños por rompimientos dieléctricos en los materiales utilizados como
aislantes, de igual forma el llenado de aceite del transformador es un proceso
delicado pues el aceite debe inyectarse en caliente y a una determinada velocidad
para evitar la formación de burbujas en el líquido y por último la impregnación del
aceite a los materiales a base de celulosa debe ser un factor considerable pues
estos absorben el aceite y bajan de cierta manera el nivel de aceite en el
transformador.
Todo lo anteriormente descrito sirve como fundamento para realizar el diseño del
sistema de aislamiento de un transformador reductor para servicios propios y
auxiliares, con el fin de poder visualizar el dimensionamiento dieléctrico de la
máquina y resaltando que este transformador físicamente parece un transformador
de potencia pero funcionalmente es un transformador de distribución.
VI
Para el cálculo del sistema de aislamiento interno del transformador se partió del
cálculo general del transformador (cálculo de corrientes primarias y secundarias,
espiras primarias y secundarias, sección transversal del núcleo, dimensiones de los
devanados de alta y baja tensión, dimensiones generales del núcleo y la distancia
dieléctrica entre el devanado de baja y alta tensión).
Considerando los métodos de prueba, la clase de aislamiento del transformador y sus
tensiones de prueba establecidos por las normas NMX-J-169-ANCE-2004 y NMX-J-
123-ANCE, se realizó el cálculo respectivo de las distancias dieléctricas de la máquina.
Por último el análisis de los resultados obtenidos a través de la geometría y
dimensiones calculadas de la parte activa del transformador, arrojo dimensiones
robustas en comparación con un transformador de distribución, el cual maneja niveles
de tensión bajos con respecto a un transformador reductor de para servicios propios y
auxiliares. Y en base a la especificación CFE K-000026 este tipo de transformadores
son utilizados comúnmente para servicios propios y auxiliares de subestaciones
eléctricas o como alimentación a pequeñas cargas rurales ubicadas en las cercanías
de las subestaciones que manejan niveles de tensiones de transmisión
Materiales aislantes utilizados en el transformador
8
1.1 INTRODUCCIÓN
El diseño de aislamiento de un transformador es uno de los aspectos más importantes
en el diseño general del mismo. Este proceso es el corazón del diseño de la máquina,
particularmente en transformadores de alta tensión.
Con el incremento constante en los sistemas de transmisión de tensión, los valores de
tensión de los transformadores de potencia tienen también un incremento en el
contenido de manufactura de aislamiento una significante porción del costo mismo del
transformador, cabe mencionar que cuando el transformador opere a tensiones cada
vez más elevadas, el sistema de aislamiento deberá ser más eficiente y de mejor
calidad, lo que por supuesto eleva el costo mismo del transformador.
También los espacios de aislamiento tienen influencia sobre el costo de la parte activa
del transformador (conjunto núcleo - bobina), así como la cantidad de aceite dentro del
mismo, y por eso tienen un gran peso en el diseño de la máquina. El margen entre los
niveles de aguante y operación de los niveles de campo eléctrico son reducidos. Esto
requiere grandes esfuerzos desde investigaciones y diseños para calcular con
exactitud los niveles de campo eléctrico para varias configuraciones de electrodos
dentro del transformador bajo diferentes pruebas de niveles de tensión y diferentes
pruebas de conexión.
Los materiales aislantes más importantes utilizados en el sistema de aislamiento
interno de transformadores de alta tensión son, papel impregnado con aceite y
productos a base de celulosa (principalmente papel y cartón), aplicados principalmente
en donde existen altos esfuerzos eléctricos y mecánicos.
La rigidez dieléctrica de estos materiales (principalmente la rigidez de arrastre) es más
pronunciada en el cartón. Las partes laminadas de madera son prácticamente
exclusivas para los esfuerzos mecánicos que llegaran a presentarse. Los bajos
esfuerzos eléctricos que pudieran originarse en esas partes son insignificantes, si se
tiene un proceso cuidadoso.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
9
Los materiales aislantes internos de un transformador pueden dividirse en dos grupos:
Aislantes líquidos.
Aislantes sólidos.
1.2 AISLANTES LÍQUIDOS
Los líquidos tienen un número de ventajas en común con los gases:
Recuperación después de un rompimiento.
Baja permitividad, 휀 = 2 𝑎 2.5 y bajas perdidas dieléctricas (tan 𝛿) en el orden de
1 × 10−4.
Valores de rompimiento a presión atmosférica mejores que algunos gases.
Enfriamiento de electrodos y devanados mejor que los gases.
Y como no todo puede ser perfecto, también los aislantes líquidos tienen sus
desventajas como son:
Requerimiento de un contenedor para el líquido.
Utilización de aislantes sólidos como soporte para la parte activa del
transformador.
El aceite es un material combustible.
El aislante líquido más utilizado en los transformadores es el aceite mineral el cual
tiene propiedades químicas, mecánicas y eléctricas que lo hace un buen material
aislante.
1.2.1 EL ACEITE
El aceite mineral es el principal líquido aislante utilizado en la mayoría de los
transformadores, por sus características dieléctricas y mecánicas. Una función de este
aislante líquido es que sirve como un recubrimiento protector a las superficies de metal
dentro del transformador.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
10
Este recubrimiento protege contra las reacciones químicas, tal como la oxidación, que
puede influenciar la integridad de las conexiones, favorecer la formación de óxido, y
contribuye a la consecuente contaminación del sistema.
Las propiedades físicas, químicas y eléctricas del aceite como material aislante
aplicado al transformador son especificadas a través de normas referentes a aceites
aislantes (NMX-J-123-ANCE-2001, IEC). Tres clases de aceite son distinguidas con
respecto al punto de flameo, punto de escurrimiento y figuras de viscosidad cinemática.
Aceites de Clase I.
Tiene su punto de flameo ≧ 140°𝐶, punto de escurrimiento ≦ −30°𝐶 y
viscosidad cinemática ≦ 16.5 𝑚𝑚2𝑠−1 medidas a 40°𝐶.
Aceites de clase II.
Tienen punto de flameo ≧ 130°𝐶, punto de escurrimiento ≦ −45°𝐶 y viscosidad
cinemática ≦ 11 𝑚𝑚2𝑠−1.
Aceites de clase III.
Tienen punto de flameo ≧ 95°𝐶, punto de escurrimiento ≦ −60°𝐶 y viscosidad
cinemática ≦ 3.5 𝑚𝑚2𝑠−1.
Haciendo referencia a la norma NMX-J-123-ANCE-2001, se tienen dos categorías de
aceites utilizados en transformadores, aceites no inhibidos y aceites inhibidos, del tipo
I y II respectivamente. También se clasifica al aceite como aceite nafténico y aceite
parafínico.
“Un aceite nafténico es aquel aceite mineral aislante derivado de crudos especiales
que tienen muy bajo contenido de n-parafinas (ceras). El cual tiene un bajo punto de
escurrimiento y no necesita ser desparafinado (eliminación de cera) y no requiere el
uso de depresores de escurrimiento.
Un aceite parafínico es aquel aceite mineral aislante derivado de crudos con alto
contenido de n-parafinas naturales. Tales aceites deben ser liberados de las parafinas
Materiales aislantes utilizados en el transformador
11
y puede ser necesaria la adición de un depresor de escurrimiento para alcanzar un
bajo punto de escurrimiento”1.
La tabla 1, indica la categoría de los aceites y su respectivo tipo, describiendo sus
características.
Tabla 1. Clasificación de los aceites minerales
Aceite Tipo I Tipo II
No inhibido
Aquel que cumple las
características de un
aceite parafínico
Aquel que cumple las
características de un
aceite nafténico
Inhibido
Aquel cuyo contenido de
inhibidores es de hasta
0.08%
Aquel cuyo contenido de
inhibidores es de hasta
0.30%
En otras consideraciones, la tensión de ruptura, la tensión interfacial, las pérdidas
dieléctricas y la permitividad del aceite son parámetros sujetos a cambios. Esas
propiedades en transformadores sumergidos en aceite de buena calidad son: voltajes
de ruptura a 50 𝑜 60 𝐻𝑧 en la condición cuando el transformador es llenado a menos
de 200 𝑘𝑉/𝑐𝑚, tension interfacial a 25°𝐶 a menos de 40 × 10−3 𝑁 𝑚⁄ , perdidas muy
bajas por factor tan 𝛿 a 90°𝐶 de 50 × 10−4, y permitividad 휀 = 2.2. Estos factores son
altamente influenciados por condiciones ambientales (absorción de humedad y gases,
contaminación mecánica).
En el diseño de aislamiento la propiedad más importante es la rigidez dieléctrica del
aceite con un valor cerca de 4000 𝑘𝑉 𝑐𝑚⁄ en el caso de aceites purificados a un alto
nivel bajo condiciones de laboratorio, mientras que en la práctica, el valor más alto es
cerca de 330 𝑘𝑉 𝑐𝑚⁄ . La figura 1 hace referencia a una pequeña muestra de un aceite
mineral nuevo y otra muestra de aceite dañado, diferenciados por su color.
1 NMX-J-123-ANCE-2001, Productos eléctricos-transformadores-aceites minerales aislantes para transformadores-
especificaciones, muestreo y métodos de prueba, pág. 2.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
12
La presencia de agua en el aceite es un problema grave, pues tiende a generar un
rompimiento dieléctrico del líquido provocando a su vez descargas parciales dentro del
transformador. El agua dentro del aceite puede presentarse en dos diferentes formas:
1. En estado de disolución.
2. En estado de suspensión.
La humedad se incorpora por efecto de las dilataciones y contracciones térmicas
sucesivas del aceite aislante que provienen de las variaciones de temperatura térmica
y de la carga. En el intervalo de temperaturas de 0 a 80°C, el aceite en contacto con
el aire a presión atmosférica es capaz de retener de 30 𝑎 600 𝑝𝑝𝑚 (1 𝑝𝑝𝑚 =
1 𝑚𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎/1 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒). La rigidez dieléctrica del aceite se encuentra
influenciada considerablemente por la humedad disuelta en el aceite. La influencia de
la humedad en el aceite, acelera el envejecimiento del mismo, el aceite caliente admite
más fácilmente agua que el aceite frío.
Tal como se muestra en la figura 2, conforme aumenta el contenido de la humead, la
rigidez dieléctrica del aceite se deteriora rápidamente.
Figura 1. Aceite mineral utilizado en transformadores (nuevo y
viejo).
Materiales aislantes utilizados en el transformador
13
La presencia de humedad tanto disuelta como en suspensión sobre las pérdidas
dieléctricas (tan 𝛿) del aceite, no depende de la cantidad de la misma si no de su
estado. El agua disuelta en el aceite provoca conductividad volumétrica y en estado
de suspensión provoca conductividad superficial.
“Los esfuerzos dieléctricos en el aceite utilizan modelos generales tales como micro
burbujas y la teoría weak-link”2. Se han observado que algunas micro-burbujas existen
en ausencia de campo eléctrico, y en la aplicación del mismo se crean burbujas
adicionales. Esto provoca que las descargas son iniciadas a través de esas micro-
burbujas. La presencia de impurezas dentro del aceite es otro factor importante en el
rompimiento dieléctrico pues estas tienden a alinearse con las líneas de campo
eléctrico para crear un weak-link dentro de los espacios del aceite; este fenómeno se
acentúa con la presencia de humedad.
La rigidez dieléctrica del aceite puede ser reducida también por la presencia de gases
dentro del aceite. Como en la humedad, los gases pueden presentarse en dos estados
físicos: disueltos y en estado de suspensión.
2 S.V. Kulkarni, S.A. Khaparde, Transformer Engineering Design and Practice, Marcel Dekker, pág. 335
Contenido de humead [p.p.m.]
Rig
idez d
ielé
ctr
ica
[kV
/mm
]
Figura 2. Variación de la rigidez dieléctrica en función de la humedad contenida.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
14
Para 25°𝐶 y una presión atmosférica normal, el aceite es capaz de retener substancias
disueltas, expresadas como un porcentaje del volumen del aceite: 10% aire, o 8.5%
nitrógeno, o 16% oxigeno, o 100% dióxido de carbono. El porcentaje de gas soluble
incrementa con el aumento de la temperatura y la presión.
La presencia de gases no causa únicamente un peligroso deterioro local de la rigidez
dieléctrica pero, en comparación con el efecto de la humedad, es también peligroso
con respecto a la vida del aceite.
El aire u oxigeno presentes en el aceite dan un incremento a los cambios químicos,
que dan paso a un deterioro permanente de las propiedades eléctricas del aceite así
como su envejecimiento.
El aceite y la celulosa son substancias orgánicas con pequeña resistencia al calor. La
descomposición del aceite comienza a acelerarse considerablemente a 130°𝐶.
Las descargas toman lugar liberando burbujas de gas principalmente de hidrogeno. El
desarrollo de acetileno es una característica de la alta intensidad de las descargas
(chispas y arcos). Un incremento de la cantidad de gas de etileno indica puntos
calientes dentro del transformador.
El método de analizar los gases disueltos es generalmente practicado, a la vez para la
supervisión de los transformadores en servicio y, como un procedimiento de prueba
de sitio, para la detección de posibles puntos calientes.
La circulación forzada del aceite generalmente usada en transformadores grandes,
prácticamente no tiene influencia sobre el envejecimiento del aceite. Por el contrario,
las mejores condiciones de temperatura obtenidas por el enfriamiento forzado del
aceite, comparadas con la circulación natural, exponen al aceite a ligeros pero
detectables valores bajos de envejecimiento.
En el caso de la circulación de aceite forzado, el aire succionado adentro por bombas
de aceite a través de un deficiente cierre en las tuberías, puede representar un peligro,
el efecto de oxidación sobre el aire causa un envejecimiento adicional en el aceite.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
15
1.3 AISLANTES SÓLIDOS
Los sólidos son siempre requeridos en construcciones de aislamientos: tanto como
soporte de la parte activa o como el simple aislamiento.
Un asilamiento sólido tiene importantes ventajas:
Es auto soportado.
No requiere de un tanque como en los aislantes líquidos.
Tiene una alta fuerza de rompimiento.
Las desventajas de estos aislantes son:
No es auto recuperable.
Tiene altas permitividades 휀 > 2.5 y altas pérdidas dieléctricas (tan 𝛿)
frecuentemente > 10 × 10−4.
Son frecuentemente combustibles.
El enfriamiento es menos efectivo en comparación con el aceite.
Los aislantes sólidos comúnmente usados dentro del aislamiento interno de un
transformador son el papel y el cartón (pressboard), cada uno de ellos tiene sus
características particulares y sus diferencias propias en base a su manufactura.
1.3.1 EL PAPEL
Los papeles usados como asilamientos dentro del transformador tienen un espesor de
30 𝑎 120 𝜇𝑚 y densidades de 0.7 𝑎 0.8 𝑔/𝑐𝑚3.
Es una práctica común el especificar la masa por metro cuadrado (𝑔/𝑐𝑚3). Una
característica importante del papel es su fuerza tensora. La fuerza tensora es la
longitud de una cinta de papel suspendida de espesor y ancho uniforme. Para papeles
usados para propósitos de aislamientos este valor es de 6 𝑎 8 𝑘𝑚.
La propiedad más importante del papel es la rigidez dieléctrica a una determinada
frecuencia (50 𝑜 60 𝐻𝑧), la rigidez dieléctrica tiene un valor de 100 𝑎 150 𝑘𝑉/𝑐𝑚 en
Materiales aislantes utilizados en el transformador
16
condiciones secas y cuando es aplicado dentro de capas delgadas. El factor de
disipación es de 10 𝑎 30 × 10−4, la resistividad es de 100 𝑎 600 × 106 𝑀Ω 𝑐𝑚 y la
permitividad es cerca de 2.
El envejecimiento es más pronunciado por la presencia de agua. El papel cuando entra
en contacto con el aire a una temperatura controlada y 100% de humedad relativa, es
capaz de absorber alrededor de 15% de agua; a 60% de humedad realtiva la absorción
de agua es cerca del 8% y al 20% cerca del 4% de absorción de agua. Al 4% de
humedad contenida, como sea, el valor de envejecimiento del papel a 130°𝐶 es veinte
veces más alto que a 0.5% de la humedad contenida.
Las propiedades del papel se deterioran bajo los efectos del calentamiento, agua y
oxigeno: el papel es sujeto a envejecimiento. El envejecimiento del papel
principalmente causa un deterioro de las propiedades mecánicas y reducción de la
rigidez dieléctrica.
La humedad presente en el papel también tiene otros efectos, del lado de la
aceleración del proceso de envejecimiento. De este modo los factores de pérdidas del
papel incrementan bajo los efectos de la humedad. Con un alto contenido de agua, el
incremento de tan 𝛿 puede ser así de alto causando una inestabilidad térmica y
ocurriendo un rompimiento.
La reducción de la humedad contenida en el aislamiento y el control de la absorción
de agua durante el servicio del transformador son muy importantes para el incremento
de la vida de servicio del mismo. Los efectos dañinos de la humedad pueden ser
eliminados por la reducción del promedio de agua contenida en el papel debajo del
0.5%. La figura 3 hace referencia a los papeles y cartones utilizados como aislamiento
internos en un transformador.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
17
La presencia de oxígeno en el papel afecta considerablemente el envejecimiento del
mismo. De acuerdo a los experimentos de laboratorio, el incremento del intervalo de
envejecimiento del papel es a causa de la presencia del oxígeno.
1.2.2 PAPEL IMPREGNADO CON ACEITE
La rigidez dieléctrica de las laminaciones de papel impregnadas con aceite es
considerablemente alta comparada con cada material por separado. En realidad, la
función de este material es para distribuir al aceite a través de los diminutos agujeros
presentes en el papel. El papel es una masa compuesta de fibras no totalmente
Figura 3. Papel utilizado como aislamiento entre capas de devanados.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
18
comprimidas, permitiendo al aceite asumir, entre las fibras y las hojas de papel, una
forma extremadamente delgada de los espacios del aceite, donde la rigidez dieléctrica
es mucho más alta con respecto a la medida entre las capas espesas del mismo aceite.
La rigidez dieléctrica del papel impregnado con aceite se encuentra en función de esos
pequeños espacios del aceite. La rigidez dieléctrica del papel impregnado con aceite
como aislamiento en transformadores es de 200 𝑎 400 𝑘𝑉/𝑐𝑚, y su permitividad es
cerca de 3.5.
Este tipo de material aislante también se encuentra afectado por la humedad contenida
principalmente en condiciones de calentamiento. Para temperatura controlada, el
punto de rompimiento arriba del 3% de la humedad contenida, es prácticamente
constante, y a un contenido de humedad del 6% el valor de la rigidez dieléctrica es
aproximadamente del 80% del valor original, tal como lo muestra la figura 4.
10
0 80
60
40
20
0
1 2 3 4 5 6 7 8
Rig
idez d
ielé
ctr
ica
[%
]
Humedad contenida en el papel [p.p.m.]
[%] [%]
Figura 4. Efecto de la humedad sobre la rigidez dieléctrica del papel impregnado con aceite a temperatura controlada.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
19
La humedad contenida en esta combinación, influye en la resistencia del papel
impregnado con aceite, provocando descargas parciales. Sin considerar un cambio en
el comportamiento del papel impregnado en aceite bajo los efectos de descargas
parciales, puede observarse arriba del 3% de la humedad contenida en el papel.
Una consecuencia a largo plazo del contenido de humedad en este aislamiento es el
rápido envejecimiento del mismo. En los dos componentes del papel impregnado con
aceite los puntos críticos térmicos son determinados por el envejecimiento del papel.
Con el incremento de temperatura, la capacidad de absorción de humedad del aceite
incrementa y en el papel decae dicha capacidad, por consiguiente la distribución de la
cantidad total de agua dentro del transformador a una baja temperatura diferenciara
del desarrollo a una alta temperatura. Las condiciones de equilibrio de humedad se
muestran en las curvas isotérmicas de la figura 5.
Hu
me
da
d c
onte
nid
a e
n e
l p
ap
el [%
]
Humedad contenida en el aceite [p.p.m.]
Figura 5. Estados de equilibrio de la humedad contenida en el aceite y papel a diferentes temperaturas.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
20
Algunos efectos peligrosos similares son atribuidos al aire o a otros gases presentes
dentro del sistema de aislamiento de papel impregnado con aceite (si la
desgasificación de este material es descuidada, burbujas de gas y vacíos residuales
dentro del aislamiento). La rigidez dieléctrica del papel decrece debido a esas burbujas
de gas, ya que la permitividad del aire es mucho menor que la del papel, un
considerable esfuerzo eléctrico alto surgirá dentro de los vacíos en el papel. Los arcos
eléctricos y descargas que ocurren dentro de los vacíos no causan el rompimiento del
aislamiento total, y son por lo tanto periodos de descargas parciales. Bajo el efecto de
las descargas parciales, el deterioro local del aislamiento podría propagarse y,
después de un corto o largo periodo de tiempo, podría ocasionar el rompimiento total
del aislamiento.
Una fuente más de las descargas parciales es a causa de las burbujas de gas,
generadas por el efecto de altos campos eléctricos, a partir de la humedad presente
dentro del papel. Estas burbujas pueden aparecer dependiendo de la humead
contenida para un campo eléctrico bajo de 10 𝑘𝑉/𝑐𝑚, pero en el caso del papel seco
fuera del campo eléctrico critico incrementa a extraordinarios niveles.
1.2.3 EL CARTÓN (PRESSBOARD)
El cartón es formado por la compresión de varias capas de papel delgado en
condiciones húmedas, sin usar cualquier cemento o material de unión. La delgadez
de las capas individuales es la mejor calidad del cartón.
De acuerdo a la tecnología de producción, se tienen dos tipos de cartón: cartón
calandrado y cartón pre comprimido. El cartón calandrado es obtenido por presión a
través de rodillos de metal (generalmente calientes) que giran en sentidos opuestos,
con el fin de obtener láminas de espesor controlado, la densidad del producto final es
de 1.15 𝑎 1.3 𝑘𝑔/𝑑𝑚3, tal como puede observarse en la figura 6.
El cartón pre comprimido es deshidratado, solidificado y secado bajo un calentamiento
especial de compresión. Su densidad es alrededor de 1.25 𝑘𝑔/𝑑𝑚3.
Materiales aislantes utilizados en el transformador
21
La rigidez dieléctrica del cartón impregnado en aceite, bajo una presión de 2.7 ×
10−2 𝑚𝑏𝑎𝑟 oscila en el intervalo de 200 𝑎 250 𝑘𝑉/𝑐𝑚, y siempre alto en espesor de
1 𝑎 2 𝑚𝑚.
La rigidez de campo por inspección de una descarga parcial es cerca del 70 𝑎 80% de
su valor. El factor de pérdida tan 𝛿 del cartón a 20 °𝐶 es cerca de 40 × 10−4 y para
130 °𝐶 es cerca de 70 × 10−4.La permitividad se encuentra entre 4.4 𝑎 4.5.
Las propiedades mecánicas del cartón son excelentes. La fuerza tensora de un cartón
pre comprimido de una densidad de 1.25 𝑘𝑔/𝑑𝑚3, depende del espesor de la hoja y la
dirección de enrollamiento, que se encuentra en el intervalo de 95 𝑎 125 𝑁/𝑚𝑚2 y su
alargamiento es de 2.3 𝑎 4.6 %.
Figura 6. Cartón utilizado como material aislante entre devanados del transformador.
Aislamientos internos del transformador
23
2.1 ASPECTOS GENERALES
El requerimiento esencial que debe satisfacer el diseño del aislamiento interno del
transformador, es hacerlo capaz de soportar los esfuerzos eléctricos producidos por
las pruebas de baja frecuencia, tensión de impulso por rayo y de tensión de impulso
por maniobra.
Al realizar el diseño del aislamiento de la máquina no es suficiente conocer las
propiedades de los materiales a utilizar. Por un lado, la información acerca de la rigidez
dieléctrica de los materiales es basada a través de un entorno homogéneo del campo
eléctrico. Por otro lado, el análisis de los esfuerzos eléctricos incrementales en los
materiales aislantes del transformador son más complejos e involucran obstáculos
durante las pruebas normalizadas de los materiales. La rigidez dieléctrica así como el
principio y extinción del voltaje por descargas parciales del aislamiento son factores
considerablemente influenciados por la tecnología de manufactura del secado e
impregnación. Los bordes puntiagudos y los bordes no curveados también pueden ser
fuentes de descargas parciales bajo los efectos de un alto campo eléctrico, tal como
se mencionó en el capítulo 1.
El diseño del aislamiento puede ser basado primordialmente, en los resultados de
experimentos (bajo condiciones de laboratorio) sobre modelos de prueba, elementos
de la parte activa y típicamente en las partes estructurales de la máquina. No siempre
es necesario determinar el principio y extinción de tensiones originadas por descargas
parciales a través del uso de modelos de prueba que simulan condiciones reales.
Dentro de la máquina, son lugares uniformes entre aquellas exposiciones para tales
esfuerzos por voltajes donde debido a la simple geometría de la estructura, la
intensidad del campo eléctrico puede ser determinada por un simple camino con una
exactitud satisfactoria. Algunos métodos de cálculo son:
Cálculo del campo eléctrico para algunas configuraciones simples (por ejemplo,
electrodos cilíndricos-planos, cilíndricos-cilíndricos).
Análisis computacional del campo eléctrico por un método numérico.
Aislamientos internos del transformador
24
2.2 TIPOS DE AISLAMIENTOS INTERNOS
Después de conocer la intensidad del campo eléctrico en puntos críticos, a través de
alguno de los métodos descritos anteriormente, y del conocimiento del valor permisible
de la intensidad de campo eléctrico local, la parte estructural puede ser analizada con
respecto a descargas parciales. La mayoría de los aislamientos y estructuras aislantes
son idénticos en todos los transformadores, estos aislamientos de acuerdo a su
localización y propósito, pueden clasificarse en cuatro categorías.
Aislamiento entre vueltas
Aislamiento entre capas
Aislamiento principal
Aislamiento final
2.2.1 AISLAMIENTO ENTRE VUELTAS
El aislamiento entre vueltas dentro del devanado de un transformador sirve para
separar cada una de las vueltas (espiras) energizadas por diferentes potenciales.
Dentro del arrollamiento, en la mayoría de los casos, el cobre o aluminio de los
transformadores son aislados con papel Kraft, sin embargo el uso de alambres
cubiertos con esmalte o barniz es la forma más común de aislamiento entre vueltas. El
grosor de la capa del aislamiento entre vueltas se encuentra en un intervalo de
0.2 𝑎 1.5 𝑚𝑚.
Figura 7. Ejemplos de asilamiento entre vueltas en un transformador.
Aislamientos internos del transformador
25
2.2.2 AISLAMIENTO ENTRE CAPAS
Aquel asilamiento utilizado entre los espacios de cada capa de los devanados,
generalmente, un alto valor de tensión deberá ser soportado por este tipo de
aislamientos (aquellos entre secciones y capas de los devanados).
2.2.3 AISLAMIENTO PRINCIPAL
Este aislamiento es aquel encargado de aislar los devanados de alta y baja tensión del
transformador.
Entre los devanados cilíndricos montados sobre un miembro en común pero teniendo
diferentes valores de tensión, la capa de aislamiento por lo general consiste de aceite
y algunas piezas de aislamiento sólido. Para valores de tensión superiores a 35 𝑘𝑉,
las capas de aceite son divididas dentro de ductos de 3 a 15 𝑚𝑚 de ancho por tubos
hechos de cartón.
Figura 8. Aislamiento entre capas de un transformador, la segunda figura muestra claramente la separación de cada devanado.
Aislamientos internos del transformador
26
2.2.4 AISLAMIENTO FINAL
El aislamiento final se refiere a aquel aislamiento utilizado entre el tanque del
transformador y el final del devanado.
Cartón
Devanado Devanado
Aceite
Figura 9. Aislamiento entre devanados, compuesto de aceite y cartón.
Devanado
Tanque
Aislamiento final
Figura 10. Aislamiento final del transformador, como puede observarse es el espacio entre el final del devanado y el
tanque.
Aislamientos internos del transformador
27
2.3 PRUEBAS APLICADAS A LOS AISLAMIENTOS INTERNOS DEL
TRANSFORMADOR
Las pruebas que se realizan a los transformadores para verificar que el aislamiento
entre vueltas, entre capas y aislamiento principal, debe cumplir con lo establecido en
la norma NMX-J-169-ANCE-2004. “En realidad, las pruebas hechas en fabrica solo
son un seguro idealizado, aunque basados en resultados de prueba sobre el buen
estado de los materiales aislantes y de las piezas más importantes”3.
Las pruebas dieléctricas aplicadas a los transformadores de acuerdo a la norma
NMX-J-169-ANCE-2004, son:
Prueba de tensión de impulso por maniobra.
Prueba de tensión de impulso por rayo.
Prueba a baja frecuencia.
Prueba de tensión aplicada.
Prueba de tensión inducida.
Factor de potencia de los aislamientos del conjunto.
Resistencia de aislamiento.
2.3.1 PRUEBA DE TENSIÓN DE IMPULSO POR MANIOBRA
Esta prueba consiste en aplicar o inducir en la terminal de línea a tierra de cada fase,
una tensión transitoria de impulso por maniobra con un valor de cresta igual al
especificado en las normas de fabricación correspondientes al tipo de transformador
bajo prueba.
La onda de tensión de impulso por maniobra debe tener una cresta de acuerdo con el
nivel de aislamiento correspondiente, el cual debe tener una tolerancia de ± 3% y debe
exceder el 90% del valor de cresta cuando menos por 200 𝜇𝑠.
3 Transformadores de distribución teoría, cálculo, construcción y pruebas, pág. 173.
Aislamientos internos del transformador
28
En esta prueba se aplica o induce en cada fase de la terminal de línea a tierra un
transitorio de tensión reducida y dos de tensión plena. El transitorio de tensión reducida
debe tener un valor de cresta correspondiente a un 50 % a un 70 % del valor de tensión
plena. Por otro lado, el transitorio de tensión plena debe tener como mínimo un valor
de cresta de acuerdo con el valor indicado de acuerdo con la norma NMX-J-284-ANCE.
Con respecto a la detección de fallas, es necesario contar con un oscilograma de
tensión durante cada transitorio aplicado o inducido, si no se presenta ningún colapso
repentino de tensión en los oscilogramas, la prueba es aceptable. Los oscilogramas
sucesivos pueden ser distintos debido a la saturación magnética del núcleo.
2.3.2 PRUEBA DE TENSIÓN DE IMPULSO POR RAYO
Esta prueba debe aplicarse de la siguiente manera: una onda completa a tensión
reducida, dos ondas cortadas, y una onda completa a tensión plena. El intervalo de
tiempo entre la aplicación de la última onda cortada y la onda completa final, debe
minimizarse para evitar la recuperación de la rigidez dieléctrica de los aislamientos.
Esta prueba a su vez cuenta con las siguientes sub-pruebas:
Prueba de onda competa a tensión reducida.
Onda con valor de cresta entre el 50 % y el 70 % del valor de onda completa a
tensión plena.
Prueba de onda cortada.
Onda similar a la onda completa a tensión plena, con valor de cresta sobre el
nivel más alto requerido y esta onda es cortada sobre o después del tiempo
mínimo requerido de arqueo.
Prueba de frente de onda.
Onda similar a la onda completa, esta onda es cortada en el frente, sobre el
nivel de cresta asignado y con un tiempo de arqueo diferente.
Aislamientos internos del transformador
29
Prueba de onda completa a tensión plena.
Onda de prueba que alcanza la cresta en 1.2 𝜇𝑠 y decae a la mitad al valor de
cresta en 50 𝜇𝑠.
La detección de fallas durante esta prueba involucra varios puntos, tales como:
Humo y burbujas.
Ausencia de arqueo en el explosor.
Ruidos perceptibles.
2.3.3 PRUEBA A BAJA FRECUENCIA
Para transformadores de distribución y transformadores de potencia clase I, la prueba
de baja frecuencia se encuentra en función de las pruebas de tensión inducida y
tensión aplicada respectivamente, ambas pruebas descritas a continuación.
2.3.4 PRUEBA DE TENSIÓN APLICADA
El objetivo principal de esta prueba consiste en verificar que la clase y cantidad de
material aislante sean los adecuados, con el fin de poder asegurar que el aislamiento
de los bobinados del transformador resista los esfuerzos eléctricos a los que se verá
sometido durante su operación. Esta prueba también es llamada prueba de Tensión
de Aguante a 60 𝐻𝑧.
Esta prueba consiste en la aplicación de una tensión a 60 𝐻𝑧, durante un lapso de un
minuto, iniciándose con un valor no mayor de una cuarta parte del establecido como
tensión de prueba en base a su clase de aislamiento de acuerdo a la tabla 2.
La aplicación de la tensión de prueba debe iniciarse a un cuarto de su valor total, e
incrementarse gradualmente hasta alcanzar su valor total en un tiempo no mayor que
15 𝑠. Al alcanzar un minuto de prueba, la tensión debe reducirse gradualmente hasta
un cuarto del valor máximo, antes de abrir el circuito.
Aislamientos internos del transformador
30
Esta prueba debe hacerse aplicando la tensión de prueba en cada devanado con los
otros devanados conectados a tierra, tal como lo muestra la figura 11.
Durante la prueba pueden presentarse un incremento brusco de corriente humo y
burbujas, lo cual indica una falla a tierra o entre los devanados de alta y baja tensión.
Ruidos dentro del tanque, indican un exceso de humedad dentro del transformador.
Tabla 2. Tensiones de prueba establecidos por la IEEE para transformadores sumergidos en aceite de acuerdo a su nivel de aislamiento.
Tensiones de prueba de acuerdo al nivel de aislamiento
Clase de aislamiento
𝒌𝑽
Tensión de prueba
(valor eficaz)
𝑘𝑉
Clase de aislamiento
𝑘𝑉
Tensión de prueba
(valor eficaz)
𝑘𝑉
1,2 10 161 325
2,5 15 196 395
5 19 215 430
8,7 26 230 460
15 34 315 630
18 40 345 690
25 50 375 750
34,5 70 400 800
46 95 430 860
69 140 460 920
92 185 490 980
115 230 520 1040
138 275 545 1090
Aislamientos internos del transformador
31
2.3.5 PRUEBA DE TENSIÓN INDUCIDA
El objetivo principal de esta prueba es verificar que el aislamiento entre vueltas y entre
capas de los devanados del transformador, sea el adecuado. Esta prueba consiste en
inducir en los devanados del transformador una tensión de 200 % de la tensión
nominal. La duración de esta prueba depende de la frecuencia a utilizar, tal como lo
muestra la tabla 3 referente a las normas ANSI C57-72.
Durante esta prueba un incremento brusco de corriente o la aparición de humo y
burbujas indica una falla en el devanado (entre vueltas o entre capas), así como un
apreciable incremento en el nivel de descargas parciales.
Si existen ruidos en el tanque, la falla posible es debida a distancias cortas de los
devanados o partes vivas contra el tanque.
El procedimiento de esta prueba es, la tensión debe elevarse primeramente a un valor
de 1.5 veces la tensión nominal (nivel de una hora) y manteniéndose durante el tiempo
suficiente para verificar que no hay problema por descargas parciales. Después la
tensión debe elevarse hasta un nivel de realce (1.73 veces la tensión nominal) y
mantenerse durante 7200 ciclos. A continuación la tensión debe reducirse hasta el
nivel de una hora y mantenerse por ese tiempo.
Durante este periodo, deben hacerse mediciones de descargas parciales en intervalos
de 5 min sobre cada terminal de línea del devanado de alta tensión.
𝐻1 𝐻2
𝑋1 𝑋2
Figura 11. Diagrama físico para la prueba de
tensión aplicada.
Aislamientos internos del transformador
32
Las fallas están vinculadas con la presencia de humo y burbujas en el aceite, sonido
audible o incremento brusco en la corriente de prueba. Con respecto a la interpretación
de las mediciones de descargas parciales, los resultados pueden considerarse
aceptables y no requerir pruebas adicionales de descargas parciales cuando:
1. La magnitud del nivel de descargas parciales no excede de 500 𝑝𝐶.
2. El incremento en los niveles de descargas parciales durante la hora no excede
de 150 𝑝𝐶.
Tabla 3. Tiempos para la prueba de tensión inducida en función de la frecuencia de acuerdo a las normas ANSI C57-72.
Frecuencia
𝑯𝒛
Duración de la prueba
𝒔
120 60
180 40
240 30
360 20
400 18
La figura 12 muestra la forma en que debe realizarse la prueba de potencial inducido.
G 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐶. 𝐴.
2𝑉𝑛
𝑋1
𝑋2
𝐻1
𝐻2
Figura 12. Diagrama eléctrico para la prueba de potencial inducido.
Aislamientos internos del transformador
33
2.3.6 FACTOR DE POTENCIA DE LOS AISLAMIENTOS DEL
CONJUNTO
El objetivo principal de esta prueba, es verificar el grado de sequedad que tienen los
materiales aislantes.
El transformador bajo prueba debe estar en las siguientes condiciones:
1. Todos los devanados sumergidos en aceite aislante.
2. Todos los devanados en cortocircuito.
3. Todas las boquillas en sus respectivos lugares.
La prueba se realiza aplicando una tensión alterna de 2.5 𝑘𝑉 entre el devanado de alta
tensión y el de baja tensión. La aplicación de dicha tensión hará circular una corriente
𝐼 a través del aislamiento. Esta corriente se encuentra formada por dos corrientes, la
corriente 𝐼𝐶 debida a la capacitancia del aislamiento y la corriente 𝐼𝑊 debida por la
conductancia transversal integrada por, corrientes superficiales.
2.3.7 RESISTENCIA DE AISLAMIENTO
El objetivo principal de esta prueba es determinar la resistencia de aislamiento de los
devanados individuales a tierra y/o entre devanados. Este valor de resistencia
generalmente es medido en Megaohms o puede ser calculada con base en las
mediciones de tensión aplicada y corriente de disipación.
Al devanado cuya resistencia se desea medir, se conecta a la terminal de línea del
megóhmetro y los demás devanados y el tanque se conectan a tierra del megóhmetro.
El procedimiento de la prueba es el siguiente:
1. Alta tensión vs baja tensión y tierra, baja tensión vs alta tensión y tierra.
2. La tensión se incrementa desde 1 𝑘𝑉 a 5 𝑘𝑉 y se mantiene por un minuto.
3. Debe suspenderse la aplicación de tensión si la corriente empieza a
incrementarse o no se estabiliza.
4. Cuando la prueba termina, deben aterrizarse todas las terminales.
Aislamientos internos del transformador
34
2.4 PROCESOS DE MANUFACTURA DE LOS AISLAMIENTOS DEL
TRANSFORMADOR
Los procesos correspondientes a la manufactura del transformador, representan una
serie de pasos que deben realizarse antes de obtener el producto final, deben
considerarse la construcción del núcleo, construcción de las bobinas de baja y alta
tensión, construcción del tanque y bastidor, ensamble del núcleo con la bobina y por
supuesto los procesos de secado, vacío, llenado e impregnación de la parte activa del
transformador. Para aumentar la rigidez dieléctrica del aceite se realizan tres procesos
esenciales: proceso de secado, proceso de vacío y proceso de llenado e impregnación.
La construcción de las bobinas de baja y alta tensión es el primer paso en la
manufactura del transformador, una vez construidas las bobinas estas se compactan
con el fin de disminuir sus dimensiones, independientemente se construye el núcleo
del transformador para poder realizar el ensamble del núcleo con las bobinas de baja
y alta tensión (parte activa).
A continuación se realiza el arreglo de las puntas en baja y alta tensión para poder
llevar la parte activa al proceso de secado, de igual forma se realiza la construcción
del tanque para poder unir la parte activa (una vez que haya pasado por el proceso de
secado) con el tanque. Posteriormente se colocan los accesorios del transformador
(radiadores, ventiladores, válvula de escape, boquillas, cambiador de derivaciones).
Luego el transformador es sometido al proceso de vació en donde se extrae el aire y
alcanzando una presión negativa de 5 𝑚𝑏, para poder realizar el llenado del aceite a
una temperatura y velocidad controlada, debe estar caliente el aceite para que este
fluya de una mejor forma y debe estar a una velocidad controlada para evitar la
aparición de burbujas. Posteriormente se deja reposar el transformador para que el
aceite se impregne en los papeles y cartones contenidos dentro de él. Después se
realizan las pruebas eléctricas correspondientes y por último se embarca.
En la figura 13 puede observarse un diagrama simplificado de los procesos principales
que se llevan a cabo en la manufactura de un transformador.
Aislamientos internos del transformador
35
Figura 13. Proceso simplificado de manufactura de transformadores.
Bushing de
Alta Tensión
Bobinas de alta y baja
tensión
Compactación de la bobina
Ensamble de la parte activa
Construcción del núcleo
Arreglo de puntas de baja y alta tensión
SecadoEntanque
Paileria
Colocación de accesorios
Proceso de vacío
Llenado de aceite
ImpregnaciónPruebas eléctricas
Acabados finales
Embarque
Aislamientos internos del transformador
36
2.4.1 PROCESO DE SECADO
Como se mencionó anteriormente, la manufactura del transformador conlleva una serie
de procesos que en conjunto conforman a la máquina. Considerando los procesos que
involucran al aislamiento interno del transformador tenemos al proceso de secado.
Este proceso se aplica al conjunto de núcleo-bobina del transformador, tomando en
consideración que las bobinas tanto de baja como de alta tensión llevan varias capas
de papel y cartón (pressboard), así mismo el núcleo también contiene una ligera capa
aislante que lo recubre. Pero, ¿Por qué realizar el secado de este conjunto? La
respuesta es sencilla, cualquier indicio de humedad en el asilamiento es un factor de
riesgo de falla en el transformador.
El secado del conjunto núcleo-bobina se puede realizar de dos formas:
Proceso de horneado.
Secado por corriente de baja frecuencia (LHF).
Para el primer caso, el conjunto de núcleo-bobina, es sometido a un proceso de
horneado a una temperatura de 105°𝐶, durante un tiempo determinado que está en
función de la capacidad del transformador y del nivel de tensión del mismo, tal como
se muestra en la figura 14.
Figura 14. Conjuntos núcleo-bobina sometidos al proceso de secado.
Aislamientos internos del transformador
37
“El proceso LHF (Low Frecuency Heating) calienta uniformemente desde el interior de
los devanados de alta tensión y de baja tensión del transformador, aplicando una
corriente de baja frecuencia con bajos niveles de tensión a través de los devanados
de alta tensión, mientras los devanados de baja tensión permanecen
cortocircuitados”4.
La frecuencia utilizada es de 0.4 − 2 𝐻𝑧 con una impedancia baja evitando problemas
de alta tensión que dañen al transformador, asegurado una corriente controlable en el
devanado de baja tensión para que pueda ser calentado en un intervalo de
temperaturas de 110 𝑎 120°𝐶 (preferentemente a una temperatura de 115°𝐶).
La ventaja de este método de secado está en que el calor generado en el interior de
los devanados, es el lugar perfecto para difundir la humedad fuera del aislamiento. Sin
mencionar que, la temperatura de los devanados puede ser controlada con gran
precisión.
2.4.2 PROCESO DE VACÍO
Para remover el contenido peligroso de agua del papel aislante, es necesario aplicar
vacío dentro del transformador, con el fin de poder eliminar cualquier partícula de
humedad que pueda generar problemas en el transformador.
Una vez unida la parte activa del transformador (conjunto núcleo-bobina) con el
tanque, se sella prácticamente el tanque por completo y se le aplica vacío al
transformador. El proceso de vacío del transformador tiene dos funciones principales,
una de ellas es eliminar la humedad que pudiera generase dentro del transformador y
la otra función es prácticamente verificar que el tanque del transformador se encuentra
sellado correctamente y que no tiene ningún orificio por donde puedan entrar partículas
contaminantes en el interior de la máquina.
El proceso de vacío consiste en extraer el oxígeno que se encuentra en el interior del
transformador, provocando prácticamente un vacío, no debe sobrepasarse de cierta
presión, pues alcanzar altos niveles de presión negativa provocaría que el tanque del
4 Abaratar y secar, revista ABB 3/2005, págs. 67-68
Aislamientos internos del transformador
38
transformador se deformara y existirían fallas mecánicas. La presión a la que debe
llegarse es aproximadamente 5 𝑚𝐵𝑎𝑟𝑒𝑠 de presión negativa, esto para evitar que
exista mucha presión en el interior del transformador.
2.4.3 PROCESOS DE LLENADO E IMPREGNACIÓN
El llenado e impregnación pueden ser cumplidos por verter libremente presión
atmosférica, vertiendo bajo vacío o por el uso de presión.
La elección del proceso depende sobre la elección de impregnación y llenado del
material y la geometría de los objetos a someterse a este proceso.
El proceso ideal de llenado combina a la impregnación. El llenado ideal del material
puede ser un líquido de baja viscosidad que conlleva a un vacío libre sólido con
propiedades eléctricas y mecánicas óptimas (aceite mineral).
El llenado de aceite al transformador debe realizarse en caliente a una velocidad de
50 a 75 𝑙𝑡/ℎ, pues el aceite caliente tiende a fluir mejor y por tanto puede entrar en
zonas más estrechas dentro del transformador (entre devanados, entre papeles y
cartones), no es recomendable inyectar el aceite en frío pues este, no se adentraría
adecuadamente entre los componentes de la parte activa del transformador, dejando
huecos de aire que inducirían una falla segura en el transformador.
Así como el aceite debe ser inyectado en caliente, también debe introducirse a una
velocidad constante que no sea muy rápida pero tampoco muy lenta, si el aceite se
inyectara a una gran velocidad para poder reducir el tiempo de producción, la alta
velocidad del aceite provocaría pequeñas burbujas en el aceite las cuales son las que
originan descargas parciales dentro del transformador. Pero si el aceite llegase a ser
inyectado muy lentamente, el tiempo que tardaría en llenarse de aceite el
transformador, afectaría seriamente el tiempo de producción de la máquina.
Aislamientos internos del transformador
39
Una vez que se ha llenado el transformador con aceite, se debe dejar reposar un cierto
tiempo, pues recordando, la parte activa del transformador tiene varias capas de papel
y cartón, los cuales están basados en celulosa que absorbe al aceite bajando el nivel
del mismo en cierto porcentaje, por tanto al dejarse reposar un determinado tiempo
esa absorción de aceite por parte de los materiales aislantes a base de celulosa, debe
ser compensada inyectando el aceite faltante al transformador, hasta el nivel que se
requiera, tal como se muestra en la figura 15.
Figura 15. Transformador reductor de servicios propios y auxiliares en proceso de impregnación, las pequeñas
mangueras se encargan de inyectar una pequeña cantidad de aceite al transformador.
CAPÍTULO
III DISEÑO DEL SISTEMA DE
AISLAMIENTO DEL
TRANSFORMADOR REDUCTOR DE
SERVICIOS PROPIOS Y
AUXILIARES
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
41
3.1 GENERALIDADES
Para poder empezar a realizar el cálculo del diseño del sistema de aislamiento del
transformador, es necesario definir lo que es un transformador reductor para servicios
propios y auxiliares.
Este transformador se define como:
“Aquel transformador cuyo primario se conecta directamente a la fase de una línea o
barra de alta tensión, y proporciona energía a una tensión secundaria reducida menor
o igual a 480 𝑉, con una potencia nominal desde 50 𝑘𝑉𝐴 hasta 300 𝑘𝑉𝐴. Su principal
función es alimentar los servicios propios de subestaciones eléctricas o suministrar
energía en baja tensión para otras aplicaciones diversas, como la alimentación de
servicios auxiliares o la distribución de carga rural”5.
Teniendo en cuenta la definición anterior, se considera que el sistema de aislamiento
de este transformador será más robusto y de características similares al de un
transformador de potencia pero con la función de un transformador de distribución6.
Los datos de entrada del transformador pueden observarse en la tabla 4.
Tabla 4. Datos de valores nominales del transformador
Datos generales
Tensión primaria
[Vp] 69000 V
Tensión secundaria
[Vs] 127 V
Inducción magnética
[B] 134007 G
Frecuencia [f]
60 Hz
Potencia aparente
[S] 50000 VA
5 Especificación CFE K0000-26, Transformadores reductores para servicios propios y auxiliares. Pág. 2. 6 Ver ANEXO 1 referente a las aplicaciones y características de diseño de este tipo de transformador. 7 Ver ANEXO 2, referente a la curva de saturación del núcleo del transformador M0H.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
42
Para realizar el diseño del sistema de aislamiento para este transformador, se
procederá a realizar el cálculo de las corrientes en los devanados, cálculo del número
de vueltas, sección del conductor, sección del núcleo magnético, cálculo de las
dimensiones generales de las bobinas y la geometría completa del núcleo. Para poder
dar paso al cálculo de los aislamientos mayores y menores de las bobinas de alta y
baja tensión respectivamente.
Por tal motivo se realizará el diseño del sistema de aislamiento de un transformador
reductor para servicios propios y auxiliares monofásico de 50 𝑘𝑉𝐴, que operará a una
tensión máxima de 170000/127 𝑉, 60 𝐻𝑧 y 40°𝐶.
A continuación se realizaran los cálculos correspondientes, únicamente se hará
mención de las fórmulas utilizadas, puesto que todo se encuentra hecho en una hoja
de cálculo, los resultados obtenidos serán mostrados en tablas respectivamente.
3.2 CORRIENTES EN LOS DEVANADOS Y CALIBRES DE LOS
CONDUCTORES
En base a la tabla 5 haciendo referencia a la especificación CFE K0000-26, la tensión
nominal primaria de fase a tierra en función de la tensión máxima de operación es de
𝑉𝑝 = 69 𝑘𝑉.
Tabla 5. Tensiones nominales primarias y secundarias
Tensión máxima del
equipo
(valor eficaz)
(kV)
Tensión nominal
primaria fase-tierra
(valor eficaz)
(kV)
Tensión nominal
secundaria, para dos
secundarios de potencia
(valor eficaz)
(V)
123 69
127-127;139-139 ó 277-277
145 80,5
170 92
245 138
420 241,5
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
43
El arreglo de los secundarios será en un arreglo en paralelo, teniendo entonces una
tensión secundaria de 𝑉𝑠 = 127 𝑉.
La corriente primaria y secundaria son calculadas a través de
𝐼𝑃 =𝐾𝑉𝐴
𝑉𝑃 𝐼𝑆 =
𝐾𝑉𝐴
𝑉𝑆
Ahora para poder determinar los calibres de los conductores de los devanados, se
proponen los siguientes valores de densidad de corriente, tomando en cuenta que para
la alta tensión se utilizara un conductor alambre magneto de cobre y para la baja
tensión una lámina de aluminio respectivamente8.
𝐽𝑐𝑢 = 2.8𝐴
𝑚𝑚2 𝐽𝐴𝑙 = 2.2
𝐴
𝑚𝑚2
La sección de cada conductor será respectivamente
𝑆𝐶𝑢 =𝐼𝑃
𝐽𝑐𝑢 𝑆𝐴𝑙 =
𝐼𝑆
𝐽𝐴𝑙
En la tabla 6, se visualizan los resultados obtenidos para las corrientes y secciones de
los conductores para alta y baja tensión.
Tabla 6. Resultados de corrientes y secciones transversales de los conductores de AT y BT
Devanados Corriente
[𝑨]
Sección transversal
[𝒎𝒎𝟐]
AT 0.72 0.26
BT 393.70 178.95
Tomando en consideración las secciones transversales calculadas, para el lado de alta
tensión se propone un conductor de alambre magneto 21 𝐴𝑊𝐺 y para el lado de baja
tensión una lámina de aluminio de 0.508 × 180 𝑚𝑚 (ver ANEXO 3).
8 Los valores de J máximos para el cobre y el aluminio son de 3.5 A/mm2 y 2.5 A/mm2, un aumento de estos valores incrementara la temperatura en el conductor llegando a dañar los aislamientos del mismo.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
44
3.3 ESPIRAS PRIMARIAS Y SECUNDARIAS
La relación de transformación nominal está dada por
𝑎 =𝑉𝑃
𝑉𝑆
Para poder determinar las espiras primarias y secundarias, es necesario calcular el
volt por vuelta a través de la siguiente expresión
𝑉𝑡 = 𝑘√𝐾𝑉𝐴
En donde 𝑘 es una constante que toma valores de 1.1 𝑎 1.3, para este caso el valor de
esta constante será 𝑘 = 1.2.
Teniendo el volt por vuelta, calculamos las espiras primarias y secundarias como sigue
𝑁1 =𝑉𝑃
𝑉𝑡 𝑁2 =
𝑉𝑆
𝑉𝑡
Y se vuelve a calcular la relación de transformación en función de las espiras, de tal
forma que entre la nueva relación de transformación (𝑎𝑛) y la nominal (𝑎) exista un
porciento de tolerancia menor o igual al 0.5%. Los resultados de estos cálculos pueden
observarse en la tabla 7.
Tabla 7. Resultados de las espiras primarias y secundarias
𝒂 543.31
𝑽𝒕 8.49
𝑵𝟏 8132
𝑵𝟐 15
𝒂𝒏 542.13
%𝒕𝒐𝒍 0.22
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
45
3.4 CÁLCULO DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL NÚCLEO
El cálculo de la sección transversal del núcleo se hace a través de la ecuación general
del transformador, de ella se despeja a 𝐴 y la ecuación queda como sigue
𝐴 =𝑉𝑃 × 108
4.44 × 𝑓 × 𝑁1 × 𝐵
𝐴 representa el área neta del núcleo, por tanto se debe considerar un factor de
apilamiento para núcleos arrollados, este factor oscila entre 0.93 𝑎 0.96, en este caso
se considerará 𝐹𝐴 = 0.93, con este valor se puede calcular el área física del núcleo de
la siguiente manera
𝐴𝑓 =𝐴
𝐹𝐴
Para el cálculo de este transformador, como es monofásico únicamente se necesitan
dos arcadas de igual dimensión, el núcleo se encuentra manufacturado a través de
laminaciones las cuales tienen un ancho de lámina comercial, para este núcleo este
ancho tendrá un valor 𝐶 = 18 𝑐𝑚. La figura 16 muestra un dibujo mostrando el ancho
de lámina y el espesor del núcleo.
C
2D
Figura 16. Ancho de lámina y espesor del núcleo.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
46
Al tener el área física del núcleo, se puede calcular el espesor de este a través de
2𝐷 =𝐴𝑓
𝐶
La tabla 8, muestra los valores obtenidos del área física del núcleo y el espesor del
mismo.
Tabla 8. Área neta, área física y espesor del núcleo.
𝑨
[𝒄𝒎𝟐]
𝑨𝒇
[𝒄𝒎𝟐]
𝟐𝑫
[𝒄𝒎]
237.69 255.58 14.20
3.5 CÁLCULO DE LA DISTANCIA DIELÉCTRICA ENTRE EL
DEVANADO DE BAJA Y DE ALTA TENSIÓN (EBA)
Esta distancia se encuentra en función de la prueba de potencial aplicado (ver tabla
2), la clase de aislamiento para este transformador es de 161 𝑘𝑉 y por tanto le
corresponde una tensión de prueba de 𝑈𝑡 = 325 𝑘𝑉. Para esta distancia dieléctrica se
incluirá cartón con un espesor de 4𝑚𝑚 para poder establecer ductos de aceite entre
el devanado de alta y baja tensión.
Como los devanados se encontraran sumergidos en aceite y se incorporara cartón
entre ellos, es indispensable saber la rigidez dieléctrica permitida para el cartón y el
aceite mineral, para el cartón se tiene que la rigidez dieléctrica es de un valor de
250 𝑘𝑉/𝑐𝑚 pero el valor permitido es el 70% del valor original.
Entonces 𝐸𝑃 = 175 𝑘𝑉/𝑐𝑚. Para el aceite, el valor de rigidez dieléctrica ronda entre
95 𝑘𝑉/𝑐𝑚, el permitido entonces será el 70% del valor original 𝐸𝑂 = 66.5 𝑘𝑉/𝑐𝑚.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
47
Ahora bien, se considera que el aceite tiene una permitividad 휀0 = 2.2, mientras que
para el cartón se tiene 휀𝑃 = 4.4.
Con estos valores se procede a calcular las distancias del cartón y del aceite
respectivamente, y la suma de estas será el EBA.
𝑑𝑃 =𝑈𝑡
𝐸𝑃
𝑑𝑂 =𝑈𝑡
𝐸𝑂− 𝑑𝑃 (
휀0
휀𝑃)
𝐸𝐵𝐴 = 𝑑𝑃 + 𝑑𝑂
La tabla 9, indica los valores de los espesores del cartón, aceite y el EBA.
Tabla 9. Distancia dieléctrica entre el devanado de baja y alta tensión.
Rigidez
dieléctrica
[𝒌𝑽/𝒄𝒎]
Rigidez
dieléctrica
permitida
[𝒌𝑽/𝒄𝒎]
Permitividad 𝒅
[𝒎𝒎]
𝑬𝑩𝑨
[𝒎𝒎]
Cartón 250 175 4.4 20 60
Aceite 95 66.5 2.2 40
La figura 17 muestra la distribución de los espacios de aceite y de cartón anteriormente
calculados, como puede apreciarse los espesores del cartón se mantuvieron con un
valor de 4 𝑚𝑚, mientras que para el aceite se tuvo que hacer una distribución uniforme
de la distancia calculada teniendo separaciones de 10, 6 𝑦 4 𝑚𝑚 respectivamente.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
48
Pero, ¿por qué utilizar ductos de cartón? La respuesta es fácil, si únicamente se
estableciera el espacio de aceite calculado sin ductos de cartón, podría existir la
posibilidad de que los contaminantes en el aceite formaran un “weak-link” (ver capitulo
I, pág. 13) provocando en el transformador una falla segura. Es por eso que se colocan
ductos de aceite hechos de cartón, para evitar que las partículas contaminantes del
aceite se alineen y conlleven a una falla por rompimiento dieléctrico del aceite.
3.6 DIMENSIONAMIENTO DE LOS DEVANADOS DE ALTA Y BAJA
TENSIÓN
El cálculo para determinar las dimensiones de los devanados de baja y alta tensión
considera el uso de papeles y cartones aislantes utilizados entre cada una de las capas
que componen al devanado, así como el aislamiento entre vueltas que corresponde a
la capa de barniz aplicada a los conductores. Para el devanado de baja tensión se
utilizara papel crepe de 0.14 𝑚𝑚 de espesor, mientras que para el devanado de alta
tensión el material aislante utilizado entre capas será papel kraft tratado (insuldur) de
0.25 𝑚𝑚.
Devanado
de baja
tensión
Devanado
de alta
tensión
4 m
m
4 m
m
4 m
m
4 m
m
4 m
m
6 m
m
4 m
m
4 m
m
6 m
m
10 m
m
10 m
m
60 mm
Figura 17. Aislamiento principal del transformador.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
49
3.6.1 DEVANADO DE BAJA TENSIÓN
Primeramente deberán calcularse las espiras por capa del devanado de baja tensión,
en este caso como es de baja tensión se tendrán tantas capas como número de espiras
calculadas para este devanado, teniendo entonces 1 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎/𝑐𝑎𝑝𝑎, por tanto el número
de capas para el devanado de baja tensión será de 15 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠, pero como en el lado de
baja tensión se tienen dos devanados, se tendrán 15 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 para cada devanado en
baja tensión, tal como se ilustra en la figura 18.
Tomando en consideración que para realizar ambas bobinas para la baja tensión se
utilizará una hoja de aluminio de 0.508 × 180 𝑚𝑚 y considerando que el devanado de
baja tensión se encuentra constituido por dos bobinas de igual tensión y por tanto igual
número de espiras (como lo indica la figura 16), entonces la altura axial de cada bobina
será igual al ancho de lámina seleccionada, teniendo entonces.
ℎ𝑎𝑏 = 180 𝑚𝑚
X1
Bobina 1
15 espiras
X2
127 V
X3
X4
Bobina 2
15 espiras
Figura 18. Arreglo en paralelo de las dos bobinas que conforman al devanado de baja tensión.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
50
Con los datos anteriormente mencionados se procede a calcular la altura axial (ℎ𝑎𝑠)
del devanado de baja tensión como sigue.
ℎ𝑎𝑠 = 2(ℎ𝑎𝑏) + 𝑒𝑏
Donde
ℎ𝑎𝑏: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 ℎ𝑜𝑗𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑛𝑖𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑗𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛
𝑒𝑏: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑗𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛
El espesor radial del devanado (𝑒𝑟𝑠) se calcula de la siguiente manera
𝑒𝑟𝑠 = (𝑁𝑜. 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 × 𝑒𝑎𝑙) + [𝑒𝑐𝑏(𝑁𝑜. 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 − 1)]
Donde
𝑒𝑎𝑙: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 ℎ𝑜𝑗𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜
𝑒𝑐𝑏: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠
Teniendo las dimensiones del devanado de baja tensión, se puede calcular la longitud
de la vuelta media (𝑙𝑣𝑚) de la siguiente manera.
𝑙𝑣𝑚𝑠 = 2(𝐶 + 2𝐷) + 𝜋[2(𝑑𝑎𝑖𝑠) + 𝑒𝑟𝑠]
Donde
𝐶: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑛ú𝑐𝑙𝑒𝑜
2𝐷: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑛ú𝑐𝑙𝑒𝑜
𝑑𝑎𝑖𝑠𝑙: 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑑𝑒𝑣𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜
Finalmente, la longitud total de lámina a utilizar será el producto de las espiras por la
longitud de la vuelta media.
𝑙𝑡𝑠 = 2 × 𝑁2 × 𝑙𝑣𝑚𝑠
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
51
Los resultados de cada cálculo se muestran en la tabla 10.
Tabla 10. Dimensiones generales del devanado de baja tensión
Dimensiones del devanado de baja tensión
𝒆𝒄𝒃
[mm]
𝑒𝑏
[mm]
Espiras/capa Número de
capas
ℎ𝑎𝑠
[mm]
𝑒𝑟𝑠
[mm]
0.14 4 1 15 364 9.58
Longitud de la vuelta media y total de lámina del devanado
𝒍𝒗𝒎𝒔
[m]
𝑙𝑡𝑠
[m]
3.5 52.52
La altura radial del devanado de baja tensión se calcula de la siguiente forma:
ℎ𝑟𝑠𝑓 = 2𝐷 + (2 ∗ 𝐸𝐵𝐴) + (2 ∗ 𝑒𝑟𝑠)
ℎ𝑟𝑠𝑙 = 𝐶 + (2 ∗ 𝐸𝐵𝐴) + (2 ∗ 𝑒𝑟𝑠)
Donde
ℎ𝑟𝑠𝑓: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑣𝑖𝑠𝑡𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒
ℎ𝑟𝑠𝑙: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑣𝑖𝑠𝑡𝑎 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒
La tabla 11 indica las dimensiones del devanado de baja tensión vistas frontalmente y
lateralmente.
Tabla 11. Alturas axial y radial del devanado de baja tensión.
Altura axial y radial del devanado de baja tensión
Vista del devanado Altura axial
ℎ𝑎𝑠
[mm]
Altura radial
ℎ𝑟𝑠
[mm]
Frontal 364 251.15
Lateral 364 289.16
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
52
3.6.2 DEVANADO DE ALTA TENSIÓN
Para determinar las dimensiones del devanado de alta tensión se procede igual que
en el devanado de baja tensión, con la diferencia de que en este caso las espiras por
capa no es igual a 1, las espiras por capa para este caso se calculan de la forma
siguiente.
𝐸𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠/𝑐𝑎𝑝𝑎 =ℎ𝑎𝑠
𝐷𝑐𝑎
Donde
ℎ𝑎𝑠: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑒𝑣𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑗𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛
𝐷𝑐𝑎: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑑𝑜
El número de capas que se utilizaran en el devanado de alta tensión se calculan
dividiendo las espiras primarias entre las espiras por capa, tal como se muestra a
continuación.
𝑁𝑜. 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 =𝑁1
𝐸𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠/𝑐𝑎𝑝𝑎
La altura axial del devanado de alta tensión será igual que la altura axial del devanado
de baja tensión, teniendo entonces.
ℎ𝑎𝑝 = ℎ𝑎𝑠
Para calcular el espesor radial del devanado se procede con la siguiente expresión,
que involucra al espesor del aislamiento entre capas, el número de capas y el diámetro
del conductor con aislamiento.
𝑒𝑟𝑝 = (𝑁𝑜. 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 × 𝐷𝑐𝑎) + [𝑒𝑐𝑝(𝑁𝑜. 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 − 1)]
Donde
𝑒𝑐𝑎: 𝐸𝑠 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
53
La longitud de la vuelta media para este devanado se calcula de la siguiente forma.
𝑙𝑣𝑚𝑝 = 2(𝐶 + 2𝐷) + 𝜋[2(ℎ𝑟𝑝 + ℎ𝑟𝑠)]
Y por último la longitud total de alambre magneto AWG 24 será:
𝑙𝑡𝑝 = 𝑁1 × 𝑙𝑣𝑚𝑝
Los resultados de los cálculos realizados se pueden observar en la tabla 12.
Tabla 12. Dimensiones generales del devanado de alta tensión.
Dimensiones del devanado de alta tensión
𝒆𝒄𝒑
[mm]
Espiras/capa Número de capas ℎ𝑎𝑝
[mm]
𝑒𝑟𝑝
[mm]
0.25 513 16 364 15.11
Longitud de la vuelta media y total de lámina del devanado
𝒍𝒗𝒎𝒑
[m]
𝑙𝑡𝑝
[m]
1.46 11885.83
La altura radial del devanado de alta tensión se calcula de la siguiente forma:
ℎ𝑟𝑝𝑓 = ℎ𝑟𝑠𝑓 + (2 ∗ 𝐸𝐵𝐴) + (2 ∗ 𝑒𝑟𝑝)
ℎ𝑟𝑝𝑙 = ℎ𝑟𝑠𝑙 + (2 ∗ 𝐸𝐵𝐴) + (2 ∗ 𝑒𝑟𝑝)
Donde
ℎ𝑟𝑝𝑓: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑣𝑖𝑠𝑡𝑎 𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒
ℎ𝑟𝑝𝑙: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑣𝑖𝑠𝑡𝑎 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒
La tabla 13 indica las dimensiones del devanado de baja tensión vistas frontalmente y
lateralmente.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
54
Tabla 13. Alturas axial y radial del devanado de alta tensión.
Dimensiones de los devanados
Vista del devanado Altura axial
ℎ𝑎𝑠
[mm]
Altura radial
ℎ𝑟𝑎
[mm]
Frontal 364 371.37
Lateral 364 409.38
3.7 DIMENSIONES DE LAS ARCADAS
Por último se determinaran las dimensiones generales de las arcadas, como se había
mencionado anteriormente, el núcleo del transformador se encuentra constituido por
dos arcadas del mismo tamaño las dimensiones de estas se calcularan a continuación.
En la figura 19, se muestran las dimensiones a calcular de una sola arcada esto con
el fin de visualizar una parte del núcleo del transformador.
A
F
B
C
D
E
Figura 19. Dimensiones generales de una de las arcadas.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
55
Para determinar las dimensiones, se procede de la siguiente manera:
𝐴 = 𝑒𝑟𝑝 + 𝑒𝑟𝑠 + (3 ∗ 𝐸𝐵𝐴)
𝐵 = ℎ𝑎𝑠 + (2 ∗ 𝐸𝐵𝐴)
𝐸 = 𝐵 + 2𝐷
𝐹 = 𝐴 + 2𝐷
Las dimensiones de las arcadas se muestran en la figura 20, tomando como referencia
a la tabla 14 respectivamente.
Tabla 14. Dimensiones generales de las arcadas que conforman al núcleo del transformador.
A [cm]
B [cm]
C [cm]
2D [cm]
E [cm]
F [cm]
15.97 45.40 18 14.20 59.60 30.17
A
B
D
E
F
C
Figura 20. Dimensiones del núcleo del transformador.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
56
3.8 RESULTADOS
La figura 21 muestra el arreglo físico general de los devanados de alta y baja tensión,
situados respectivamente en el núcleo del transformador, en esta figura pueden
observarse los espacios entre devanados y entre el devanado de alta tensión hacia el
núcleo (𝐸𝐵𝐴). Así como el espesor de cada uno de los devanados, altura axial y la
altura radial respectivamente.
EBA
Espesor devanado AT
Espesor devanado BT
Alt
ura
axia
l
Altura radial
Figura 21. Arreglo general de la parte activa del transformador.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
57
3.8.1 VISTA FÍSICA DEL DEVANADO DE BAJA TENSIÓN
La figura 22 muestra un esquema físico de las bobinas que conforman al devanado de
baja tensión, recordando que este es un arreglo en paralelo para aprovechar la máxima
potencia del transformador y utilizar los 127 𝑉 de este devanado.
Bobina 1
Bobina 2
4 mm
𝒉𝒂𝒃
𝒉𝒂𝒃
Figura 22. Arreglo físico del devanado de baja tensión.
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
58
3.8.2 VISTA FISICA DE LA PARTE ACTIVA DEL TRANSFORMADOR
La figura 23 nos muestra la parte activa final, prácticamente el arreglo final de los
devanados de baja y alta tensión montados sobre el núcleo del transformador.
La figura 24 muestra las vistas lateral y frontal de la parte activa, aquí puede
observarse el espacio entre el devanado de alta tensión y el núcleo axialmente y
radialmente.
Figura 23. Parte activa del transformador (conjunto alta y baja tensión).
Diseño del sistema de aislamiento del transformador reductor de servicios propios y auxiliares
59
Vista frontal
Vista superior
Conjunto
Alta-Baja
EBA
Alta tensión
Baja tensión
Núcleo
Núcleo
Figura 24. Vistas superior y frontal de la parte activa del transformador.
60
CONCLUSIONES
El diseño del sistema de aislamiento para este tipo de transformador es en esencia
más grande que el de un transformador de distribución común, esto es por el nivel de
tensión que se maneja en el lado primario del mismo.
El uso de los distintos materiales aislantes que conforman a este sistema de
aislamiento del transformador, involucran diferentes espesores (en el caso del papel y
del cartón), los cuales estarán en función de la tensión a la que operará el
transformador.
Observando las tablas 9, 10 y 11 podemos ver las como los espesores de los
aislamientos, el espesor de los devanados y la distancia dieléctrica entre el devanado
de alta y baja tensión, influyen en la altura radial del conjunto devanado de alta y baja
tensión así mismo, como influyen en las dimensiones propias de las arcadas que
conforman al núcleo del transformador.
El establecer cartón entre el espacio baja alta (EBA), es de suma importancia para
evitar una falla en el transformador, si consideramos el hecho de que el tratado del
aceite (procesos de refinación y filtrado) no es el adecuado o fuera de baja calidad,
existirían partículas contaminantes en el mismo y al estar presentes entre ambos
devanados, por efecto de campos eléctricos grandes a causa del devanado de alta
tensión estas partículas se alinearían formando un “weak-link” provocando un
rompimiento dieléctrico en el aceite y llevando al transformador a una falla segura.
Colocando ductos de cartón entre el EBA evitamos que estas partículas formen un
puente y exista una ruptura dieléctrica.
El arreglo de las bobinas en baja tensión fue en paralelo con el fin de poder aprovechar
los 50 kVA establecidos a una tensión de 127 V, puesto que la especificación CFE K-
000026 establece que estas bobinas pueden formar un arreglo serie o paralelo.
61
Si el arreglo hubiera sido en serie tendríamos una potencia de 50 kVA a un valor de
tensión de 254 V, teniendo entonces que cada bobina en baja tensión otorgará una
tensión de 25 kVA.
Las figuras 21, 22, 23 y 24 muestran claramente las dimensiones obtenidas a través
de los cálculos realizados en cuento a la sección del núcleo, dimensiones de los
devanados de alta y baja tensión y las dimensiones generales de las arcadas que
conforman al núcleo del transformador. Fue indispensable realizar el cálculo de la parte
activa del transformador, pues el dimensionamiento dieléctrico depende de todos estos
parámetros, partiendo básicamente del cálculo de un transformador con unas
consideraciones de diseño respectivamente.
El diseño completo de la máquina debe involucrar un análisis transitorio considerando
corrientes de cortocircuito (tanto en el lado de alta y baja tensión) así como campos
eléctricos y electromagnéticos influyentes en ambos devanados. Ya que este fue un
diseño preliminar de la maquina en estado “estable” no se consideró el análisis en
estado transitorio por falta de información ya que este análisis requiere datos más
específicos de diseño del transformador y se realiza a través de simulaciones con
ayuda del software adecuado, simulaciones que conllevan a la visualización de los
campos eléctricos y electromagnéticos que llegan a interactuar entre ambos
devanados así como las concentraciones de campo eléctrico en diferentes puntos del
diseño preliminar del transformador.
Este tipo de transformadores reductores para servicios propios y auxiliares, son
utilizados actualmente como unidades para abastecer prácticamente los servicios
auxiliares de subestaciones, alimentar cargas rurales y a sistemas de
telecomunicaciones. Es una opción más económica a la instalación de una
subestación, pero en este caso para cargas pequeñas.
62
GLOSARIO
Calandrado
Es un proceso de conformado que consiste en hacer pasar un material sólido a presión entre rodillos de
metal generalmente calientes que giran en sentidos opuestos y se cortan con una cuchilla para obtener
el tamaño deseado, con el fin de obtener láminas de espesor controlado del material a utilizar.
Campo eléctrico
Es la perturbación creada por la simple existencia de cargas eléctricas.
Celulosa
Sustancia inodora, insípida y biodegradable que se obtiene generalmente del algodón y de la pulpa de
la madera.
Conductividad volumétrica
Capacidad de un dieléctrico para conducir corriente eléctrica por unidad de volumen.
Conductividad superficial
Capacidad de un dieléctrico para conducir corriente eléctrica superficialmente.
Curva isotérmica
Curva de un material a una única temperatura establecida.
Descargas parciales
Fenómeno que se presenta en un elemento aislante cuando empieza a conducir energía eléctrica.
Densidad de corriente
Es la cantidad de corriente eléctrica que pasa por una determinada sección transversal de un conductor.
Disolución
Es la mezcla homogénea de dos o más sustancias, en donde la sustancia presente en mayor cantidad
es el disolvente y la de menor cantidad es el soluto (sustancia disuelta).
63
Perdidas dieléctricas
Medida de la energía disipada en forma de calor del aceite, cuando este es usado dentro de un campo
eléctrico variante con el tiempo.
Permitividad
La permitividad de un material determina como responde este al aplicarle un campo eléctrico, esto para
materiales que no son conductores (aislantes o dieléctricos), las cargas no pueden moverse libremente
pero pueden desplazarse ligeramente.
Punto de escurrimiento
Es aquella temperatura en la cual el aceite apenas fluye, cabe mencionar que cuanto más se eleve esta
temperatura el aceite fluirá con mayor facilidad.
Punto de flameo
También denominada temperatura de flameo, es aquella temperatura a la cual debe ser calentado el
aceite para emitir vapores suficientes para formar una mezcla inflamable bajo condiciones de prueba.
Rigidez dieléctrica
Es el máximo gradiente de potencial que puede soportar un material aislante, sin que se produzca la
descarga disruptiva.
Suspensión
Son mezclas heterogéneas formadas por un sólido en pequeñas partículas no solubles que se dispersan
en un medio líquido.
Tensión aplicada
Prueba del tipo dieléctrica también conocida como tensión de aguante a 60 Hz, la cual tiene como
objetivo demostrar la capacidad de los aislamientos mayores a tierra de los devanados excitados.
Tensión inducida
Prueba del tipo dieléctrica, la cuela demuestra la capacidad de los aislamientos entrecapas y
entrevueltas de los devanados excitados.
Tensión interfacial
Es una medida de la fuerza molecular existente entre el aceite aislante y el agua destilada.
64
Tensión de ruptura
Es el gradiente de potencial, en el cual se produce la descarga disruptiva en el material aislante.
Viscosidad cinemática
Es la resistencia que opone el flujo continuo y uniforme, sin turbulencia, inercia y otros esfuerzos. La
viscosidad de un líquido varía con la temperatura.
65
BIBLIOGRAFÍA
S.V. KULKARNI, S.A. KHAPARDE, Transformer Engineering Design and Practice, Marcel
Dekker, Inc. Indian Institute of Technology, Bombay Mumbai, India.
RINDLISBACHER, GÜNTHER y VUOLLE, RISTO. 2005. Abaratar y secar. Revista ABB 3.
PÉREZ, PEDRO AVELINO, Transformadores de Distribución Teoría, Cálculo, Construcción y
Pruebas, 3a edición, Editorial REVERTÉ, México D.F.
MÉXICO. Comisión Federal de Electricidad. 2012. ESPECIFICACIÓN CFE K0000-26, 01 de
diciembre de 2012.
MÉXICO. Asociación Nacional de Normalización y Certificación del Sector Eléctrico. 2004.
NMX-J-169-ANCE-2004: Transformadores y autotransformadores de distribución y potencia –
métodos de prueba, 13 de agosto de 2004.
MÉXICO. Asociación Nacional de Normalización y Certificación del Sector Eléctrico. 2001.
NMX-J-123-ANCE-2001: Productos eléctricos - transformadores - aceites minerales aislantes
para transformadores - especificaciones, muestreo y métodos de prueba, 26 de Julio de 2001.
MÉXICO. Asociación Nacional de Normalización y Certificación del Sector Eléctrico. 1998.
NMX-J-284-ANCE-1998: Productos eléctricos – Transformadores de potencia –
Especificaciones, 03 de Mayo de 1999.
MENDÉZ ALBORES, RAUL. 1978. Aceite aislante para transformadores e interruptores.
México.
K. KARSAI D., D. KERÉNYI D. y L. KISS D., Large Power Transformers, Stuides in Electrical
and Electronic Engineering 25, ELSEVIER. Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo 1987.
JAMES H. HARLOW, Electric Power Transformer Engineering, CRC Press LLC. United States
of America 2004.
FLANAGAN, WILLIAM M., Handbook of Trasformer Design & Applications, 2a edición, Mc
Graw Hill. Page 8.19
F.H. KREUGER, Industrial High Voltage, Delft University Press. The Netherlands.
Transformadores de medida | Alta tensión42
5. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN PARA SERVICIOS AUXILIARES Aislamiento papel-aceite Aislamiento gas
› Transformador para servicios propios de la subestación modelo UTP de 245 kV.
Coyote Switch (Estados Unidos).
Transformadores de medida | Alta tensión 43
› Modelo UTP
5. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN PARA SERVICIOS AUXILIARES > Aislamiento papel-aceite y gas
Este tipo de transformadores de tensión permiten obtener un suministro de energía en baja tensión de varios kVA directamente de una línea de alta tensión.
Combina los benefi cios de un transformador de potencial con aplicaciones de un transformador de distribución.
INTRODUCCIÓN
› Modelo UT › Modelo UG
Aislamiento papel-aceite: modelo UT hasta 245 kV y 10 kVA; modelo UTP hasta 362 kV y 333 kVA.
Aislamiento gas:modeol UG hasta 550 kV y 100 kVA.
Transformadores de medida | Alta tensión44
APLICACIONES1. Alimentación de servicios auxiliares de
subestaciones:Como suministro de potencia dentro de subestaciones convencionales donde se requiere suministrar o respaldar con energía en baja tensión, así como en zonas remotas o rurales donde la construcción de redes de distribución es insegura además de intermitente y requerir mantenimiento frecuente y de un costo muy elevado.
Como fuente de potencia primaria en sub-estaciones de switcheo sin transformador de potencia para suministrar a la subesta-ción y los sistemas de control SCADA.
2. Alimentación de sistemas de telecomuni-caciones:Suministro eléctrico de calidad para antenas repetidoras situadas en lugares remotos. Se puede conectar directamente el transfor-mador de una línea de transmisión cercana. › Transformador de
tensión UTP-245 para electrifi cación rural, Estado de Chihuahua (México).
3. Electrifi cación rural de poblados aislados: Como fuente de potencia para suministrar energía de forma confi able y económica a comunidades rurales localizadas en lugares apartados en donde no existen circuitos de distribución cercanos pero sí existen lí-neas de transmisión. Este uso en particular proporciona energía de una línea de trans-misión de 230 kV o de 115 kV y suministra electricidad en baja tensión.
4. Alimentación temporal durante la construcción de subestaciones, parques eólicos, etc. y suministro de emergencia durante catástrofes naturales.
5. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN PARA SERVICIOS AUXILIARES > Aislamiento papel-aceite y gas
Transformadores de medida | Alta tensión 45
Los transformadores de tensión para servicios auxiliares aislados en papel-aceite se componen de un núcleo magnético situado dentro de una cuba metálica sobre el cual están arrolladas los bobinados primarios y secundarios. La tensión primaria es conducida mediante una borna formada por un conjunto de pantallas y capas de papel aislante impregnado en aceite. Para controlar las variaciones de su nivel, están dotados de una cámara de compensación.
Los transformadores de tensión para servicios auxiliares aislados en gas se componen de un núcleo magnético situado dentro de una cuba metálica sobre el cual están arrollados los bobinados primarios y secundarios. Para estos bobinados se utilizan cables eléctricos resistentes al calor con revestimiento de resina sintética y una película de plástico con alta resistencia dieléctrica, gran resistencia al calor y fuerte resistencia mecánica.
El gas SF6 y la película de plástico son el medio de aislamiento entre las capas de bobinado. Hay una válvula de entrada para el gas SF6 en la parte lateral del depósito y existen dispositivos de monitorización para las fugas y la presión de gas.
DISEÑO Y FABRICACIÓN
› Instalación de transformadores tensión UTE.
› Transformador de tensión de 72,5 kV para SSAA aislado en gas. REE (España)
5. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN PARA SERVICIOS AUXILIARES > Aislamiento papel-aceite y gas
Transformadores de medida | Alta tensión46
Papel aceite:
› Compensador metálico que regula efi caz-mente los cambios en el volumen de aceite debidos fundamentalmente a la variación de temperatura.
› Válvula de toma de muestras de aceite para su análisis periódico.
› Posibilidad de aislador de porcelana o sintético.
Gas:
› Aislador sintético que confi ere seguridad en transporte y servicio.
› Monitorización del estado de aislamiento por medio de la alarma del manómetro.
En colaboración con el GGGooobbbiiieeerrrnnnooo dddeee CCChhhiiihhhuuuaaahhhuuuaaayy llaa CCoommiissiióónn FFeeddeerraall ddee EEllecttriiciiddadd, AARRTTEECCHHEE hha ddeessaarrrroollllaaddoo uunn pprrooyyeeccttoo ppppiiiiilllllooottttooo,, ppppiiiiiooonnneeerrrooo aaa nnniiiiivvveeelllll mmmmuuuunnnndddddiiiiiaaaalllll, ppppaaaarrrraaaa eeeexxxxttttteeeennnndddddeeeerrrrel servicio eléctrico a las poblaciones del área rural y reducir así su marginación, mediante transformadores de tensión auxiliares.
VENTAJAS
La solución convencional empleada para las aplicaciones anteriormente descritas es una línea de media tensión dedicada. El transformador de tensión para servicios auxiliares de ARTECHE ofrece las siguientes ventajas: › Variedad de diseños y aislamientos para una mejor adaptación a las necesidades del cliente.
› Benefi cio social. Electrifi cación de zonas aisladas, suministro de emergencia después de catástrofes naturales…
› Independencia en el suministro incremen-tando así la fl exibilidad y la confi abilidad al no depender de terceros.
› Reducción de costes. › Solución fl exible y de rápida ejecución frente a la construcción de una nueva línea, ya que no hay necesidad de solicitar per-misos, realizar estudios medioambientales, acometer expropiaciones, etc.).
› Fuente de poder de alta confi abilidad den-tro de la misma subestación.
› No se arriesga al elemento más costoso de la subestación (Transformador de po-tencia), para aplicaciones de baja tensión y servicios propios, que suelen ser más inseguras.
› Incorpora una función dual de fuente de poder y transformador de medida en una sola unidad, por lo que puede ser utilizado también para medición y/o protección.
› Construcción hermética asegurada median-te prueba en planta a todas las unidades bajo presión y una vez lleno el aparato de gas o aceite.
› Aptos para transporte vertical y horizontal. › Libres de mantenimiento durante su amplio periodo de funcionamiento.
› Diseño amigable con el medio ambiente debido a la utilización de aceites aislantes de alta calidad y libres de PCB. Los materia-les empleados son reciclables y resistentes a la intemperie.
› Respuesta optima en condiciones climáticas extremas de temperatura, altitud, ambientes salinos o contaminados, seísmos, etc.
› Los aparatos se ensayan como rutina a descargas parciales, tangente delta, aisla-miento y precisión y están diseñados para soportar todos los ensayos tipo que indican las normas.
› Disponibilidad de laboratorios propios homologados ofi cialmente.
5. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN PARA SERVICIOS AUXILIARES > Aislamiento papel-aceite y gas
Transformadores de medida | Alta tensión48
GAMALos transformadores de tensión inductivos para servicios auxiliares se denominan mediante el uso de diferentes letras (UT, seguida de una tercera letra que indicaría el modelo dentro de la línea, para aislamiento papel-aceite y UG para aislamiento gas) seguidas de 2 ó 3 cifras indicativas de las tensiones de servicio.
La tabla (siguiente página) muestra la gama actual de transformadores fabricada por ARTECHE. Las características son orientativas.
ARTECHE puede fabricar estos transformadores de acuerdo con cualquier norma nacional o internacional.
› Transformadores de tensión inductivos UTE de 145 kV.
Transener (Argentina).
› Transformador de tensión inductivo UG 420 kV en pruebas de rutina en los laboratorios de ARTECHE.
H
› Modelo UTP
B
A
H
A
› Modelo UG
B
H
A
› Modelo UTE
B
5. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN PARA SERVICIOS AUXILIARES > Aislamiento papel-aceite y gas
Transformadores de medida | Alta tensión 49
Aislamiento papel-aceite > Modelo UT
Modelo
Tensión máxima
de servicio
(kV)
Tensiones de ensayo
Potencia(kVA)
Línea de fuga
estándar(mm)
Dimensiones
Peso(kg)Frecuencia
Industrial(kV)
Impulso(kVp)
Maniobra(kVp)
AxB(mm)
H(mm)
UTE-72 72.5 140 325 - Hasta 10 1.825 400x430 1.645 285
UTE-145 145 275 650 - Hasta 10 3.625 400x400 2.105 400
UTG-245 245 460 1.050 - Hasta 10 6.125 500x640 3.260 800
Dimensiones y pesos aproximados. Para necesidades especiales, consultar.
5. TRANSFORMADORES DE TENSIÓN PARA SERVICIOS AUXILIARES > Aislamiento papel-aceite y gas
Aislamiento gas > Modelo UG
Modelo
Tensión máxima
de servicio
(kV)
Tensiones de ensayo
Potencia (kVA)
Línea de fuga estándar
(mm)
Dimensiones
Peso(kg)
Frecuencia industrial
(kV)
Impulso(kVp)
Maniobra (kVp)
Base(mm)
Altura(mm)
UG-72 72,5 140 325 - 50 2.248 600x600/1.200x1.200 2.250 < 3.500
UG-145123 230 550 - 100 3.813 600x600/1.200x1.200 3.100 < 3.500
145 275 650 - 100 4.495 600x600/1.200x1.200 3.100 < 3.500
UG-245
170 325 750 - 100 5.270 600x600/1.200x1.200 3.300 < 3.500
245 460 1.050 - 100 7.595 600x600/1.200x1.200 3.800 < 3.500
300 460 1.050 850 100 9.300 600x600/1.200x1.200 4.200 < 3.500
UG-420362 510 1.175 950 100 11.222 900x900/1.200x1.200 4.600 < 3.500
420 630 1.425 1.050 100 13.020 900x900/1.200x1.200 5.300 < 3.500
UG-550 550 680 1.550 1.175 100 17.050 900x900/1.200x1.200 5.800 < 3.500
Dimensiones y pesos aproximados. Para necesidades especiales, consultar.
Aislamiento papel-aceite > Modelo UTP
Modelo
Tensión máxima
de servicio
(kV)
Tensiones de ensayo
Potencia(kVA)
Línea de fuga
estándar(mm)
Dimensiones
Peso(kg)Frecuencia
Industrial(kV)
Impulso (kVp)
Maniobra(kVp)
AxB(mm)
H(mm)
UTP-123 123 230 550 - 50/100 4.525 1.100x776 3.100 2.950
UTP-145 145 275 650 - 50/100 4.525 1.101x776 3.100 2.950
UTP-170 170 325 750 - 50/100 5.285 1.102x776 3.400 3.200
UTP-245 245395 900
- 50/100/333 6.1251.450x1220
4.590 4.500460 1.050 1.451x1220
UTP-362 362510 1.175
950 50/100/333 9.0501.452x1220
5.270 5.135575 1.300 1.453x1220
Dimensiones y pesos aproximados. Para necesidades especiales, consultar.
Alambre Magneto
CONDUCTORES MEXICANOS ELÉCTRICOS Y DE TELECOMUNICACIONES, S.A. DE C.V.Poniente 140 No. 720, Col. Industrial Vallejo, Azcapotzalco, México, D.F., C.P. 02300Enero 2011
Descripción:
1. Conductor redondo, cuadrado o rectangular de cobre suave.
2. Aislamiento a base de resina polivinil formal modificada.
Normas:Aplicaciones:
• Transformadores con aceite dieléctrico tipos: instrumento, distribución o potencia.
• Motocompresores herméticos. • Bobinas en general.
Propiedades:
• Excelente flexibilidad, adherencia y resistencia a la abrasión.• Excelente estabilidad química ante la presencia de diveros agentes
contenidos en los aceites dieléctricos. • Químicamente resistente al freón 12 y 22 y ecológicos como el freón
134 A.
Recomendaciones generales:
• Evíte el contacto del producto con solventes polares tales como el alcohol, la acetona u otros como el xilol o el toluol, ya que pueden agrietar la película de aislamiento.
FORMANELM.R.
105 ºC
Clase térmica:
Color:
105 °C, clase A
Ámbar (típico)
Puede diseñarse el producto bajo cualquiera de las siguientes normas*:
• IEC 60317-1 e IEC 60317-17• NMX-J-063-ANCE y NMX-J- 072-ANCE• NEMA MW-1 000: MW 15-C, MW 18-C
* En caso de requerir cumplir con una norma o especificación diferente a las indicadas, favor de consultar a nuestro departamento técnico.
Certificación:
Datos para pedido:
Alambre magneto o solera cuadrada o rectangular FORMANELM.R., calibre
o sección transversal en mm2 del conductor, dimensiones (en caso de soleras), construcción (sencilla o doble), cantidad y tipo de empaque.
Mínima
mm in mm in
Referencia Máxima
Espesor 1.0 0.040 5.2 0.204 Ancho 2.5 0.100 14.0 0.551
Área Máxima
mm2 in2
RelaciónAncho/Espesor (1)
Máxima
6 40.3 0.0625
Dimensiones
RANGO DE FABRICACIÓN FORMANELM.R. SOLERARANGO DE FABRICACIÓN FORMANELM.R. CIRCULAR
Color Construcción sencilla Construcción doble Ámbar.
Calibre 14 a 30 AWG 4 a 30 AWG (típico) Diámetro 1.613 mm a 0.251 mm 5.138 mm a 0.251 mm del conductor (0.0635" a 0.0099") (0.2023" a 0.0099")
Sistema de calidad certificado por:
1005936 QMO8 ISO 9001:2008
Conductores Mexicanos Eléctricos y de Telecomunicaciones, S.A. de C.V.
Registro de producto ante Underwriters Laboratories Inc. File E 87331.
UL R
REGISTERED FIR
M
Nota: Estos datos son aproximados y están sujetos a tolerancias
normales de manufactura.
(1) La relación: ancho/espesor, es adimensional.
Alambre Magneto
CONDUCTORES MEXICANOS ELÉCTRICOS Y DE TELECOMUNICACIONES, S.A. DE C.V.Poniente 140 No. 720, Col. Industrial Vallejo, Azcapotzalco, México, D.F., C.P. 02300Enero 2011
FORMANELM.R.
105 ºC
Prueba Requerimiento Valores de norma ** obtenidos Adherencia y flexibilidad 20% / 3d Sin ruptura Elongación Mínimo 32 % 40 % Resorteo Máximo 58 º 50 º Abrasión Mínimo 1 150 g 1 520 g Coeficiente de ----- 0.120 fricción estático Coeficiente de ----- 0.090 fricción dinámico
Nota: *Valores típicos de un Alambre Magneto DOBLE FORMANEL M.R. calibre 18 AWG **Norma de referencia: NEMA MW-1 000 MW 15-C
PROPIEDADES MECÁNICAS
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Prueba Requerimiento Valores de norma ** obtenidos Esfuerzo dieléctrico Mínimo 5700 V 9 300 V Esfuerzo dieléctrico a Mìnimo 4 275 V 7 500 V temperatura de rango Continuidad del Máximo 5 fallas @ Máximo 1 falla aislamiento
Prueba Requerimiento Valores de norma ** obtenidos Estabilidad térmica Mínimo 20 000 h @ 105 ºC 118 ºC Flujo termoplástico Mínimo 108 ºC 215 ºC Choque térmico 20% / 3d / 175 ºC Sin ruptura Temperatura de ----- 120 ºC - 130 ºC liberación de esfuerzos
PROPIEDADES TÉRMICAS
PROPIEDADES QUÍMICAS
Prueba Requerimiento Valores de norma ** obtenidos Resistencia a solventes Xilol, Xilol/Butil Celosolve Resiste Resistencia al aceite 5 700 V 8 150 V de transformador Curado completo Tolueno-Etanol Sin ampollas (visión normal) o grietas Extractibles Freón R-22 Pérdida máxima en 0.05% peso de 0.25% Retención del esfuerzo Mínimo 5 700 V 7 200 V dieléctrico
DATOS TÍPICOS DE PRUEBAS*
120 140 160 180 200 220 240
110 130 150 170 190 210 23020 000
10 000
1000
100
HORAS ºC
TEMPERATURA DE ENVEJECIDO ºC
TEMPERATURA DE ENVEJECIDO ºC
La gráfica muestra la curva de la vida térmica, basada en la extrapolación de los datos obtenidos del envejecido de un alambre magneto DOBLE FORMANELM.R. calibre 18 AWG.El FORMANELM.R. cumple con los requerimientos térmicos de un alambre clase 105 ºC.
ANEXO IV. CARACTERISTICAS PARTICULARES DE LOS
TRANSFORMADORES DE POTENCIAL INDUCTIVO PARA
SISTEMAS CON TENSIONES DE 115 kV A 230 kV