Determinación de las causas que provocan daños en los transformadores marca LATINOS

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(1)Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Título: Determinación de las causas que provocan daños en los transformadores marca LATINOS Autor: Rolando Damián Sánchez Beltrán Tutores: MSc Leonardo Rodríguez Jiménez MSc Osleni Antonio Alba Betancourt.

(2) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.:+530142281503-141 2.

(3) Pensamiento La luz eléctrica es como las estrellas y hacen pensar que las cosas tienen alma. José Martí.

(4) Dedicatoria.

(5) Agradecimiento.

(6) RESUMEN En este trabajo de investigación se realiza un estudio inicial acerca de los transformadores de distribución LATINOS en cuanto a: características constructivas, esquemas de conexión, entre otras. En la actualidad estos transformadores se fabrican en nuestro país por lo que representan un porciento elevado del total de transformadores puestos en servicio. Debido a que estos transformadores tienen un alto índice de salidas de servicio por factores internos y externos que pueden ser evitables, se analizan las principales fallas que se pueden presentar en los mismos. También se presentan las principales pruebas a las que son sometidos estos transformadores para disminuir el índice de salidas de servicio, así como, el procedimiento para realizar las mismas. Por otra parte, se analizan las nuevas técnicas de diagnóstico y mantenimiento que se llevan a cabo en el mundo y las que se realizan en Cuba. Por último, se expone la propuesta para el programa de mantenimiento predictivo a realizar por parte de la OBE de Santa Clara..

(7) Contenido INTRODUCCIÓN. 1. Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores 1.1. Principio de operación. 1.2.1 Estructura ferromagnética 1.2.2 Devanados 1.3. 4. 5 ¡Error! Marcador no definido.. ¡Error! Marcador no definido.. Clasificación de los transformadores. ¡Error! Marcador no definido.. 1.4 Características de los principales elementos que componen los transformadores de distribución tipo LATINOS ¡Error! Marcador no definido. 1.4.1 Estructura ferromagnética 1.4.2 Devanados. ¡Error! Marcador no definido.. ¡Error! Marcador no definido.. 1.4.3 Tanque o cuba de aceite 1.4.4 Tapa del tanque. ¡Error! Marcador no definido.. ¡Error! Marcador no definido.. 1.4.5 Cambiadores de derivación o cambia taps. ¡Error! Marcador no definido.. 1.4.5 Sistema de aislamiento. ¡Error! Marcador no definido.. 1.4.6 Bushings de alta tensión. ¡Error! Marcador no definido.. 1.4.7 Bushings de baja tensión. ¡Error! Marcador no definido.. 1.4.8 Válvula de sobrepresión. ¡Error! Marcador no definido.. 1.5 Principales modelos de conexión de los transformadores LATINOS ¡Error! Marcador no definido. 1.5.1 Conexión Estrella Abierta – Delta Abierta.. ¡Error! Marcador no definido.. 1.5.2 Conexión Estrella no aterrada-Delta ¡Error! Marcador no definido. 1.5.3 Conexión Delta abierta-Delta abierta ¡Error! Marcador no definido. 1.5.4 Conexión Delta-Delta ¡Error! Marcador no definido. 1.5.5 Conexión Delta-Estrella. ¡Error! Marcador no definido.. 1.5.6 Conexión Estrella-Estrella. ¡Error! Marcador no definido.. 1.6 Importancia de los transformadores de distribución LATINOS ¡Error! definido. 1.7 Fallas que se presentan en los transformadores de distribución. definido.. Marcador. no. ¡Error! Marcador no. 1.8 Principales fallas que se presentan en los transformadores de distribución LATINOS. ¡Error! Marcador no definido. 1.

(8) 1.7.1 Sobrecarga. ¡Error! Marcador no definido.. 1.7.2 Sobretensiones ¡Error! Marcador no definido. 1.7.3 Cortocircuitos. ¡Error! Marcador no definido.. 1.7.4 Problemas internos. ¡Error! Marcador no definido.. 1.7.5 Manipulación inadecuada. ¡Error! Marcador no definido.. 1.7.6 Protección inadecuada ¡Error! Marcador no definido. Capítulo 2.Estrategia diagnóstico.. ¡Error! Marcador no definido.. 2.1 Aislamiento de transformadores de distribución.. ¡Error! Marcador no definido.. 2.1.1 Factores que afectan al sistema de aislamiento de un transformador Marcador no definido.. ¡Error!. 2.1.2 Técnicas de diagnóstico del aislamiento en transformadores de potencia ¡Error! Marcador no definido. 2.1.3 Pruebas realizadas al aceite dieléctrico. ¡Error! Marcador no definido.. 2.1.4 Análisis de la rigidez dieléctrica. Métodos Normalizados ASTM D-1816 y D-877 [16]. ¡Error! Marcador no definido. 2.1.5 Análisis del número de neutralización (índice de acidez) definido.. ¡Error!. Marcador. 2.1.6 Análisis del punto de inflamación. ¡Error! Marcador no definido.. 2.1.7 Análisis de la tensión interfacial. ¡Error! Marcador no definido.. 2.1.8 Análisis del color en el aceite. Método Normalizado ASTM D 1500 [17]. Marcador no definido. 2.1.9 Análisis del contenido de humedad (contenido de agua) definido.. ¡Error!. ¡Error!. Marcador. 2.1.10 Análisis de la gravedad específica. Métodos Normalizados ASTM DMarcador no definido.. no. no. ¡Error!. 2.1.11 Análisis de la viscosidad (densidad relativa) ¡Error! Marcador no definido. 2.1.12 Análisis del factor de potencia del Líquido (factor de disipación) definido.. ¡Error! Marcador no. 2.2 Pruebas realizadas al aislamiento sólido y pruebas adicionales definido.. ¡Error! Marcador no. 2.2.1 Prueba de rigidez dieléctrica del aceite del transformador definido.. ¡Error!. Marcador. 2.2.2 Prueba de resistencia de aislamiento ¡Error! Marcador no definido. 2.2.3 Prueba de alta tensión contra baja tensión. ¡Error! Marcador no definido.. no.

(9) 2.2.4 Prueba de alta tensión contra baja tensión más tanque a tierra definido.. ¡Error! Marcador no. 2.2.5 Prueba de baja tensión contra alta tensión más tanque a tierra definido.. ¡Error! Marcador no. 2.2.6 Prueba de relación de transformación ¡Error! Marcador no definido. 2.2.7 Método del divisor patrón. ¡Error! Marcador no definido.. 2.2.8 Método del voltímetro ¡Error! Marcador no definido. 2.2.9 Método del transformador patrón. ¡Error! Marcador no definido.. 2.2.10 Prueba de vacío y prueba de cortocircuito. ¡Error! Marcador no definido. 2.2.11 Prueba de potencial a frecuencia nominal. ¡Error! Marcador no definido.. 2.2.12 Prueba de hermeticidad del transformador ¡Error! Marcador no definido. 2.2.13 Prueba de polaridad ¡Error! Marcador no definido. 2.2.14 Consideraciones finales del capítulo ¡Error! Marcador no definido. Conclusiones 60 RECOMENDACIONES. 61.

(10) INTRODUCCIÓN La energía eléctrica es una de las formas de energía que con mayor facilidad puede transportarse a grandes distancias. Se puede obtener de diversas fuentes primarias de energía y tiene disímiles usos y aplicaciones en la vida del hombre moderno. Es indispensable disponer de un sistema fuerte, fiable y capaz de generar la energía, transportarla y distribuirla a todos los usuarios en forma eficaz, segura y con calidad. La energía eléctrica, desde su generación hasta su entrega en los puntos de consumo, pasa por las etapas de adaptación, transformación y maniobra, donde para su correcta operación son necesarios equipos capaces de transformar, regular, maniobrar y proteger el mismo. El sistema eléctrico debe estar preparado para generar energía eléctrica en los lugares más idóneos para tal fin, de transformar esa electricidad a unas características idóneas para su transportación a grandes distancias, transformarla nuevamente para poder ser distribuida en los centros de consumo y finalmente adaptarla a valores aptos para los usuarios. El progreso de la Industria Eléctrica se debe principalmente a los transformadores. Por medio de ellos es posible llevar el voltaje a los niveles deseados para uso en la transmisión y subtransmisión, con el fin de llevar la energía eléctrica a grandes distancias con pérdidas relativamente pequeñas. Son también una de las máquinas más eficientes que se conocen, pues al no tener partes en movimiento, no permiten pérdidas por fricción o rozamiento y por otra parte la calidad de los materiales ferromagnéticos que componen el núcleo ha ido en aumento, lo cual permite que la eficiencia de estos equipos sea del orden de hasta el 99%. Después de las líneas de la transmisión, los transformadores son los elementos más fiables, eficientes e importantes en los sistemas de transmisión y distribución eléctricos y son, dentro del sistema, equipos costosos. Estos forman parte del equipo primario del SEP, y son elementos indispensables para transmitir los bloques de energía a través de las grandes distancias que separan los centros de generación y los consumidores. Además, por medio de estos también se logra la reducción del voltaje de transmisión y subtransmisión a valores usados en la distribución eléctrica o requerida por las industrias, y posteriormente, a voltajes de uso doméstico. El subsistema de distribución es uno de los más importantes, porque comprende aproximadamente las 2/3 partes de la inversión total de un sistema de potencia, y es el encargado de interactuar directamente con el usuario final. Por esta razón, es una etapa de gran impacto económico, puesto que implica un manejo cuidadoso en su operación, planeación, diseño y construcción. El subsistema de distribución además de ser, de gran impacto económico, es la etapa donde se presentan los porcentajes más elevados de pérdidas de energía, debido a los numerosos elementos que lo conforman para su operación. Este subsistema está conformado principalmente de subestaciones receptoras secundarias, circuitos primarios, transformadores de distribución y circuitos secundarios. Los transformadores pueden fabricarse para alimentación monofásica y trifásica, además pueden conectarse en grupos. Entre estos grupos los más importantes son las conexiones en paralelo de 1.

(11) transformadores monofásicos y los bancos de transformadores monofásicos en conexiones trifásicas lo que facilita la continuidad de servicios y fácil ampliación de la carga. Entre todos los elementos que conforman el subsistema de distribución, el transformador de distribución es de gran importancia, puesto que hace posible la interacción entre la empresa que presta el servicio de energía (Operador de red) y el usuario final. Una falla en este elemento provoca la suspensión del servicio a los abonados e inconformismo de los mismos, por no contar con un servicio confiable y continuo. Si no existieran los transformadores sería necesario generar la energía eléctrica a valores mucho más bajos para poder utilizarla directamente en fines domésticos, comerciales e industriales. La transmisión de la energía eléctrica a distancias grandes no sería posible, pues las pérdidas en las líneas de calibres normales alcanzarían valores tales, que prácticamente no llegaría energía alguna al extremo de la línea, y para reducir las pérdidas se tendrían que utilizar calibres de conductores tan gruesos que no sería posible suspenderlos en postes, (además de ser prohibido su uso) y la regulación en el voltaje sería prácticamente inaceptable. En resumen, el uso de la electricidad se limitaría a las residencias e industrias que pudieran tener plantas propias o a núcleos pequeños de consumidores. Si se piensa en cada uno de los pasos que se han mencionado, se puede apreciar la importancia de los transformadores. Aunque en la protección de transformadores ante descargas atmosféricas se utilizan descargadores y pararrayos, que tienen como función descargar a tierra la mayor parte de la onda de voltaje o corriente provocada por este fenómeno, siempre hay una parte que llega al transformador donde aparece así un proceso transitorio que, aunque de corta duración siempre trae consecuencias sobre la máquina. De forma parecida sucede ante la presencia de una falla, si las protecciones utilizadas no son capaces de despejar a tiempo dicha acción el transformador es sometido a condiciones para las cuales no fue diseñado y esto trae consigo procesos transitorios que alteran el funcionamiento y buen comportamiento de los parámetros deseados, además, por el propio funcionamiento del transformador estos transitorios pueden ser transferidos a los consumidores. En la mayoría de los circuitos de distribución de la provincia Villa Clara se encuentran instalados transformadores de distribución del tipo LATINOS, los cuales son capaces de brindar el servicio eléctrico a los consumidores. A pesar de la gran utilización de este tipo de transformador, estos se encuentran expuestos a un gran número de fallas y salidas de servicios debido a numerosas causas de las cuales muchas pueden ser evitables, por lo que se puede afirmar que estos dispositivos no están siendo aprovechados íntegramente por la Unión Eléctrica. Es por ello que para la realización de este trabajo se hizo necesario plantear la siguiente situación problémica: ¿Cuáles son las principales fallas que se producen en los transformadores de distribución LATINOS? A partir de esta situación problemática, se trazó como objetivo general: Analizar cuáles son las principales fallas que se producen en los transformadores de distribución LATINOS. Derivándose de este, los objetivos específicos siguientes: 2.

(12) . Contribuir a la profundización y análisis del estado de explotación del transformador eléctrico.. . Caracterizar los transformadores eléctricos de distribución en cuanto a funcionamiento y explotación en la provincia de Villa Clara.. . Analizar el estado constructivo y de funcionamiento de los transformadores LATINO fallados para determinar posibles causas de fallas.. . Proponer una estrategia de diagnóstico para aplicarla en el taller de transformadores de la OBE provincial para la detección de causas de fallas de los transformadores y sus características.. Justificación de la investigación: Con esta investigación se pretende contribuir al desarrollo del proceso de análisis de fallas en los transformadores de distribución LATINOS y ofrecer una respuesta a estas con soluciones económicamente factibles. Aportes de la investigación: Los resultados de esta investigación poseen una aplicación práctica y teórica de gran trascendencia para todos los especialistas, investigadores y diseñadores en ramas de la Ingeniería Eléctrica dedicadas al estudio de los transformadores. Métodos Para el desarrollo de la investigación se emplearon los métodos de nivel teórico: histórico-lógico, analítico-sintético, inductivo–deductivo y abstracto-concreto. Además, también se utilizaron métodos de nivel empírico como: la observación, la entrevista y el criterio de especialistas.. Organización del informe: El presente trabajo está estructurado de la siguiente manera: Primer capítulo: Generalidades sobre los transformadores de distribución LATINOS. Segundo capítulo: Estrategia de diagnóstico y Análisis delos resultados.. 3.

(13) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores El sistema eléctrico de potencia está compuesto por varios subsistemas, en estos incluye, la generación, transmisión, subtransmisión y distribución de la energía eléctrica. Su finalidad es llevar la energía eléctrica desde los centros de generación hasta los centros de consumo, a los niveles de tensión requeridos por el usuario de manera continua y segura. Este proceso de variación de los niveles de energía eléctrica es posible gracias al uso de los transformadores.. 1.1 Definición de transformador El transformador constituye un dispositivo electromagnético estático destinado a la transformación de corriente alterna de un voltaje, en corriente alterna de otro voltaje a la misma frecuencia. En el caso más simple el transformador tiene un devanado primario, al cual se introduce la energía eléctrica y un devanado secundario, del cual se envía esta a los consumidores [1]. El cambio de voltaje entre el primario y el secundario depende del número de vueltas de las dos bobinas. Un transformador cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama transformador elevador. Por otra parte, si el voltaje secundario es inferior al primario este dispositivo recibe el nombre de transformador reductor. El producto de intensidad de corriente por voltaje es constante en cada juego de bobinas, de forma que en un transformador elevador el aumento de voltaje de la bobina secundaria viene acompañado por la correspondiente disminución de corriente.[2] Estos poseen múltiples aplicaciones entre las cuales se encuentra la distribución. Se dice que el transformador de distribución es aquel transformador que tiene una capacidad nominal desde 5 hasta 500 kVA y una tensión eléctrica nominal de hasta 34500 Volts en el lado primario y hasta 15000 Volts nominales en el lado secundario.. 4.

(14) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. 1.2 Principio de operación El principio de funcionamiento del transformador se basa en la ley de Faraday o de inducción electromagnética, la cual se enuncia de la siguiente manera: “Una fuerza electromotriz (fem) es inducida en un medio cuando cambian las concatenaciones de flujo asociado al medio. Si el medio es un conductor de electricidad que forma una trayectoria cerrada, una corriente fluye en él debido a la fem inducida. La magnitud de la fem inducida es proporcional a la rapidez de cambio en el tiempo de las concatenaciones del flujo.. Figura 1.1. Transformador con carga conectada en el secundario.. A partir de la figura 1.1, su funcionamiento se puede resumir como sigue: En los extremos del devanado primario se aplica un voltaje, que hace circular a través de él una corriente la cual establece un campo magnético alterno. Ese campo se halla en casi su totalidad, dentro del núcleo por ser éste el camino más fácil para él y por lo tanto también pasa por dentro del devanado secundario que se encuentra alrededor del mismo núcleo y crea en el mismo un voltaje que provoca la circulación de una corriente a través de él si hay conectada una carga cualquiera entre sus terminales [3]. O sea, el transformador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de un cierto nivel de voltaje, en energía eléctrica de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más devanados de alambre, aisladas entre si eléctricamente y enrollados alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. Se entiende por primario, el devanado del transformador a través del cual se aplica el voltaje y secundario al devanado donde se recibe el voltaje inducido y se conecta la carga. Los términos primarios y secundarios nada tienen que ver con el valor del voltaje pues hay transformadores donde el voltaje primario es mayor que el voltaje secundario y viceversa como se mencionó anteriormente.. 5.

(15) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Los primeros son bien conocidos en distribución y transmisión pues son los que más abundan, los segundos se pueden ver en las plantas y se utilizan para elevar el voltaje del valor generado por las máquinas a los valores utilizados en las líneas de transmisión. Tanto el enrollado primario como secundario pueden estar formado por varios enrollados, para que al conectarse en serie o en paralelo se puedan obtener varios voltajes secundarios con distintos voltajes primarios o pueden tener un solo enrollado primario y un solo enrollado secundario.[4] 1.2 Características constructivas. Un transformador consta de dos partes esenciales: el núcleo magnético y los devanados. Ambas partes están relacionadas con otros elementos destinados a las conexiones mecánicas y eléctricas entre las distintas partes, al sistema de enfriamiento, al medio de transporte y a la protección de la máquina en general. En cuanto a las disposiciones constructivas, el núcleo establece características relevantes de manera que, se establece una diferencia fundamental en la construcción de transformadores dependiendo de la forma del núcleo, pudiendo ser: núcleo tipo columna y el núcleo tipo acorazado. Existen otros aspectos que establecen diferencias entre tipos de transformadores, como es por ejemplo el sistema de enfriamiento, que establece la forma de disipación del calor producido en los mismos, o bien en términos de su potencia y voltaje para aplicaciones como por ejemplo: transformadores de potencia, medición o distribución.. 1.2.1 Estructura ferromagnética Su función es proporcionar un camino al flujo magnético de poca reluctancia, es decir, constituye el circuito magnético que transfiere energía de un circuito a otro. Está formado por laminaciones de acero que tienen pequeños porcentajes de silicio (alrededor del 4%) y que se denominan “laminaciones magnéticas”. Estas laminaciones tienen la propiedad de tener pérdidas relativamente bajas por efecto de histéresis y de corrientes parásitas. En un transformador, el núcleo tiene dos misiones fundamentales: a) Desde el punto de vista eléctrico (y esta es su misión principal): Constituye la vía para la circulación del flujo magnético. A través de las partes de la culata conduce el flujo magnético siguiendo un circuito prescrito, de una columna a otra. b) Desde el punto de vista mecánico: Es el soporte para los devanados presentes en el transformador. Tipo núcleo o columna Debido a que las bobinas se deben montar bajo un cierto procedimiento y desmontar cuando sea necesario por trabajos de mantenimiento, los núcleos magnéticos son armados de forma tal que son desmontables, para poder maniobrar las bobinas a través de las columnas. Los núcleos se 6.

(16) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. arman con juegos de laminaciones para columnas y yugos mediante capas de arreglos pares e impares.[5]. En la figura 1.2 se puede apreciar un núcleo tipo columna.. Figura 1.2. Núcleo tipo columna.. Tipo acorazado Este tipo de núcleo tiene la ventaja con respecto al tipo columna, de reducir la dispersión magnética. Su uso es más común en los transformadores monofásicos. En el núcleo acorazado los devanados se localizan sobre la columna central y cuando se trata de transformadores pequeños, las laminaciones se hacen en troqueles. Las formas de construcción pueden ser distintas y varían de acuerdo con la potencia. El núcleo tipo acorazado es utilizado con frecuencia en la construcción de transformadores de distribución convencionales, pero en algunos casos el núcleo de los transformadores de distribución monofásicos de baja potencia se hace mediante una o dos largas láminas de acero enrolladas sobre los devanados, con el fin de conseguir que el flujo tenga siempre la dirección del laminado y evitar la existencia del entrehierro. La sección de estos tipos de núcleos puede ser cuadrada o rectangular para transformadores pequeños y circular para transformadores grandes, en los que las láminas se agrupan en capas de anchura variable. Las láminas pueden tener formas de I, L o E. A continuación, se muestra un núcleo tipo acorazado.. 7.

(17) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Figura 1.3. Núcleo tipo acorazado.. 1.2.2 Devanados Los devanados del transformador, constituyen el circuito eléctrico de los mismos. La función del devanado primario es generar un flujo magnético para incitar en el devanado secundario, una fuerza electromotriz y así transferir la energía eléctrica del primario al secundario por medio del principio de inducción electromagnética. Los devanados primarios y secundarios se fabrican generalmente de cobre y aluminio de conductividad eléctrica de 100% y son construidos en forma de alambres y láminas respectivamente, dependiendo de su calibre y de la corriente nominal que circula ellos. Los devanados del transformador deben satisfacer varios requisitos: Deben ser eficientes tanto en lo que respecta al costo inicial, teniendo en cuenta las disponibilidades en el mercado del cobre, como en cuanto al rendimiento del propio equipo en servicio. Las condiciones de calentamiento de los devanados deben estar dentro de las normas ya que, si se permitieran temperaturas más altas, la vida en servicio del transformador puede disminuir. Los devanados deben ser mecánicamente estables con respecto a las fuerzas originadas por cortocircuitos repentinos.. 1.3 Clasificación de los transformadores Los transformadores pueden ser clasificados de diversas maneras en dependencia del parámetro que se tome en consideración, por ejemplo: Por su operación Por el número de fases Por su utilización Por la construcción o forma del núcleo 8.

(18) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. En función de las condiciones de servicio. Por la operación: Se refiere a la energía o potencia que modifica del sistema eléctrico. Pueden ser: Transformador de distribución: Tienen capacidad desde 5 hasta 500 KVA (monofásico y/o trifásico). Transformador de potencia: Tienen capacidades mayores de 500 KVA.. Por el número de fases: Se tiene en cuenta las características del sistema al cual esté conectado. Monofásico: Transformadores de potencia o de distribución que son conectados a una línea (fase) y un neutro (tierra). Tienen un solo devanado de alta tensión y uno de baja tensión. La simbología utilizada es: 1φ. Trifásico: Transformadores de potencia o de distribución que son conectados a tres líneas (fases) y pueden estar o no conectados a un neutro común (tierra). Tienen tres devanados de alta tensión y tres de baja tensión. La simbología utilizada es: 3φ.. Por su utilización: Se refiere a la posición que ocupan en el sistema. Transformadores para generación: Transformadores de potencia que se conectan a la salida del generador. Proporcionan la energía a la línea de transmisión. Transformadores de subestación: Transformadores que se conectan al final de la línea de transmisión para lograr reducir la tensión a nivel de subestación. Transformadores de distribución: Reduce la tensión de subtransmisión que llega a las zonas de consumo. Transformadores especiales: Son aplicables en funciones no comprendidas anteriormente, las que pueden ser: reguladoras de tensión, transformadores para rectificador, transformadores para horno de arco eléctrico, etc. Transformadores de instrumentos: Pueden ser de potencial y de corriente. Son utilizados en la medición, la protección y en el control.. Por la construcción o forma del núcleo: Tiene en cuenta la posición entre las bobinas y el núcleo. Núcleo acorazado: Se conoce además como tipo “Shell”; el núcleo se encuentra cubriendo los devanados de baja y alta tensión como se muestra en la figura 1.4. 9.

(19) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Figura 1.4. Núcleo tipo acorazado ó Shell. Núcleo no acorazado: Conocido además como tipo columna o “Core”. Las bobinas cubren en gran medida el circuito magnético como se muestra en la figura 1.5.. Figura 1.5. Núcleo tipo columna ó Core.. En función de las condiciones de servicio: El diseño de la subestación determina el tipo de equipos que deben utilizarse. En el caso de transformadores de gran capacidad, en su mayoría todos son del tipo intemperie; mientras que los tipos caverna, utilizados en instalaciones subterráneas, son de gran capacidad y prácticamente iguales a los instalados a la intemperie.. 10.

(20) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. 1.4 Características de los principales elementos que componen los transformadores de distribución tipo LATINOS 1.4.1 Estructura ferromagnética El núcleo de los transformadores LATINOS está compuesto por chapas de acero especial de 0.23 a 0.3 mm de espesor. Este núcleo es creado con láminas de acero al silicio con laminado en frío permitiendo aprovechar al máximo la densidad de flujo magnético. Estas láminas cargan películas aislantes en su área exterior evitando de esta manera que no sean afectadas por el aceite caliente o las altas temperaturas del mismo núcleo del transformador. La implementación de estos núcleos es puesta en práctica desde hace pocos años, pues estos se importaban de Colombia y Canadá y ahora se confeccionan en el país, lo cual le permite un ahorro de divisas. El propósito de utilizar estas laminaciones, es reducir las corrientes que circulan en el núcleo, ya que estas causan pérdidas teniendo como consecuencia la disminución en la eficiencia del transformador. Las láminas se deben asegurar mecánicamente, con el fin de garantizar que dicha estructura soporte los esfuerzos físicos que se pueden presentar durante el transporte, montaje y condiciones de cortocircuito. La calidad de los tipos de aceros empleados actualmente para la construcción de los núcleos magnéticos, de acuerdo con los niveles de pérdidas y corrientes de vacío, decrece en el siguiente orden, según la denominación empleada en la tabla 1.1.. Tabla 1.1. Espesor de las laminaciones del acero según su tipo.. MOH. 0, 23 mm. MOH. 0, 27mm. M3. 0.23 mm. M3. 0.27 mm. M3. 0.30 mm. M4. 0.27 mm. M4. 0.30 mm. El núcleo magnético debe estar sujeto al tanque a través de herrajes, para prevenir al máximo las vibraciones y ruidos producidos en su funcionamiento, y a su vez, ayudar a evitar el desplazamiento del mismo cuando se transporte el transformador.. 11.

(21) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. De acuerdo a la posición entre el núcleo y los devanados, los núcleos de los transformadores se clasifican en dos tipos: tipo acorazado y tipo columna. En el transformador LATINOS la configuración del núcleo que se utiliza es del tipo acorazado, en el cual los devanados de baja y alta tensión están en su mayor parte acorazados o “abrazados” por el núcleo magnético como se muestra en la figura 1.6.. Figura 1.6. Núcleo utilizado en un transformador LATINOS.. La sección de estos tipos de núcleos puede ser cuadrada o rectangular para transformadores pequeños y circular para transformadores grandes, en los que las láminas se agrupan en capas de anchura variable. Entre las láminas, el aislamiento eléctrico se consigue de diferentes formas: con una capa de barniz aplicado a una de sus caras o en algunos casos con una hoja de papel muy delgada colocada sobre una cara de la chapa, predominando el aislamiento en este tipo de transformador por la primera vía. 1.4.2 Devanados En los transformadores del tipo LATINOS la configuración del devanado secundario varía en dependencia de la capacidad del transformador, para transformadores de capacidad inferior a los 25 KVA se usan pletinas y para capacidades superiores a los 25 KVA se usan folios, los cuales pueden ser de cobre o aluminio. En tanto, la configuración del devanado primario no presenta características especiales en su confección. Las láminas con las que se construye el devanado secundario, no deben presentar ningún tipo de aspereza o rebabas ocasionadas por su fabricación, ya que estas deterioran el material aislante alrededor de ellos y dan lugar a cortocircuitos entre espiras. Las aristas o puntas en las láminas producen altas concentraciones de campo eléctrico, los cuales provocan orificios en el material aislante del papel que se colocan entre cada una de las capas de las láminas. En la figura 1.7 se muestra el devanado de un transformador tipo LATINOS.. 12.

(22) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Figura 1.7. Devanados del transformador LATINOS.. 1.4.3 Tanque o cuba de aceite Es un recipiente en el cual, se alberga el ensamble completo del transformador, sirviendo como mecanismo para transferir al medio adyacente todo el calor generado por la operación del transformador. Cuando el aceite se calienta, comienza a recircular dentro del tanque, permitiendo así la refrigeración natural del transformador.[4] En transformadores de baja potencia, el área de la superficie del tanque es capaz de disipar el calor directamente a la atmósfera. Por otra parte, los transformadores más grandes requieren de una superficie disipadora grande, generalmente en forma de radiadores de tubos que entran y salen del tanque o montados en una estructura separada. En este sistema el aceite se mantiene en circulación. En los radiadores el calor es transmitido hacia el aire circundante que al igual que el líquido este se expande y asciende naturalmente de manera que el espacio que deja es ocupado por aire fresco a menor temperatura. Este arreglo es común para transformadores de distribución y pequeñas subestaciones de hasta algunos cientos de KVA.[6] El tanque debe ser hermético, para evitar fugas de aceite y que el aire húmedo proveniente del exterior no entre al interior del tanque, ya que estos factores dañan las propiedades del aceite dieléctrico. En los transformadores tipo LATINOS el tanque es por lo general de forma cilíndrica y de color gris oscuro como color patrón, debido a la gran disipación de calor que brinda este color. Este posee una cubierta, con el fin de no permitir el ingreso de agua producido por el medio ambiente en el que se encuentran situados estos transformadores. La cubierta o tapa se encuentra sujetada por tornillos y posee una junta de goma para brindar mayor hermeticidad. El tanque depende estrechamente de las condiciones térmicas especificadas para el transformador y debe ser capaz de soportar el exceso de presión interior.. 13.

(23) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. La construcción del tanque en los transformadores LATINOS puede clasificarse de la siguiente manera: Transformadores de capacidad inferior a los 75 kVA: Se utilizan tanques lisos que son los de tipo más sencillo tal como se observa en la figura 1.8. Transformadores de mayor capacidad (75 kVA y 100 kVA): Se utilizan tanques con radiadores para mejorar el sistema de enfriamiento.. Figura 1.8. Tanque del tipo liso usado en transformador LATINOS.. 1.4.4 Tapa del tanque La tapa del tanque en el transformador es una parte esencial de la construcción de éste. En la misma se encuentran ubicados la pasa tapas o bushings para los devanados de alto y bajo voltaje. Esta juega un papel fundamental en la hermeticidad del transformador.. 1.4.5 Cambiadores de derivación o cambia taps Muchos de los transformadores de distribución tienen este selector de voltaje ubicado en el interior del tanque mientras que otros lo tienen en el exterior. Dicho selector de voltaje se utiliza cuando el voltaje del circuito primario, donde se encuentra conectado el transformador es muy bajo o alto. Esto ocurre regularmente cuando el trasformador se encuentra al final o al principio del circuito primario. Los cambiadores de derivación se usan para poder absorber variaciones de. 14.

(24) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. voltajes por primario de manera que, variando las vueltas en el mismo en dependencia de si sube o baja el voltaje pueda ofrecer por secundario un voltaje fijo. Pueden ser de dos tipos: los que operan bajo carga y los que operan en vacío. En la figura 1.9 se observa uno de estos cambiadores de derivación.. Figura 1.9. Cambia tap del transformador LATINOS.. Al cambiar el tap de un transformador, se deben tener en cuenta las siguientes precauciones: Enfriarlo previamente (desenergizarlo). Esto debe comprobarse cuidadosamente. Poner los secundarios en cortocircuito, lo cual constituye una buena medida de seguridad. Que el aceite no tenga alta temperatura, pues existen taps que se encuentran por debajo del nivel del aceite y es necesario introducir las manos. Los transformadores del tipo LATINOS utilizan cambia tap externo, o sea, no es necesario destapar el transformador para la operación del cambia tap. Además, los cambia taps que se emplean para niveles de capacidad superiores a 25 KVA son los de tipo triángulo con el paso tres en el 100% y con dos pasos por encima y dos por debajo como se muestra en la tabla a continuacion: Tabla 1.2. Distribución de pasos para cambia tap de tipo triangulo (2x ± 2.5 %).. 105% 102.5% 100% 97.5% 95%. 228V 234V 240V 246V 252 V. 15.

(25) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Para capacidades inferiores a 25 KVA se utilizan cambia taps de tipo bola con el 100% en el primer paso como se muestra en la tabla 1.3.. Tabla 1.3. Distribución de pasos para cambia tap tipo bola (4x ± 2.5 %).. 100%. 240 V. 97.5%. 246 V. 95%. 252 V. 92.5%. 258 V. 90%. 262 V. 1.4.5 Sistema de aislamiento Uno de los factores más importantes para el correcto funcionamiento de los transformadores de distribución es el aislamiento, ya que además de ser un medio dieléctrico, también debe poseer la capacidad de soportar los esfuerzos mecánicos y térmicos que generan las altas temperaturas. Otra de las características relevantes que debe poseer el sistema de aislamiento es la capacidad de resistir la presencia de humedad y otras partículas nocivas. El sistema de aislamiento permite establecer una separación tanto física como eléctrica entre los devanados del transformador y entre ellos y tierra. Generalmente, este aislamiento es sólido con ciertas propiedades eléctricas, con el fin de proporcionar un soporte mecánico y dar una alta rigidez dieléctrica con respecto a las tensiones transitorias elevadas de corta duración. Las propiedades eléctricas de los materiales aislantes juegan un papel importante dentro de la vida útil del núcleo, los devanados y en general la del transformador. Las principales propiedades que debe poseer un material aislante son la resistividad eléctrica, la tensión disruptiva o de perforación, la permeabilidad y la histéresis dieléctrica. Al mismo tiempo, se deben considerar las propiedades mecánicas y su capacidad de soportar los agentes químicos, el calor y otros elementos presentes durante su operación.[7] Las propiedades de los aislamientos se ven gravemente afectadas por el incremento de la temperatura de operación y sobre todo por el tiempo prolongado al que estos se ven sometidos. Este tiempo origina pérdidas por efecto de histéresis y/o corrientes circulantes en las laminaciones del núcleo, perjudicando de manera intensa la vida de los aislamientos, por ende, es recomendable reducir este calentamiento a valores que no resulten peligrosos para los aislamientos por medio de un sistema de enfriamiento. El sistema de aislamiento de los transformadores de distribución LATINOS está constituido por una serie de materiales aislantes 16.

(26) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. los cuales pueden ser de tipo sólido y líquido. Entre los materiales que conforman los aislamientos sólidos se tienen: Cartón prensado. Papel diamantado Hilos y cintas de algodón. Papel manila y corrugado. Porcelanas para la constitución de los bushings de alta y baja tensión. Esmaltes y barnices. Estos materiales deben cumplir con las siguientes funciones: Prevenir las acumulaciones excesivas de calor. Resistencia a esfuerzos mecánicos y térmicos. Soportar las altas tensiones en servicio normal. El aislamiento sólido en los devanados de los transformadores de distribución, se realiza impregnando barniz entre los conductores de cobre utilizados en los devanados y el papel aislante utilizado en la construcción de estos. El aislamiento del alambre utilizado para la construcción de los devanados debe ser tipo esmaltado y debe soportar como mínimo dos veces la tensión espira a espira de la estructura del enrollado a baja frecuencia.[8] Por otra parte, los materiales que conforman el aislamiento líquido son: aceite mineral y silicona. En los transformadores de distribución LATINOS el aceite mineral se usa para el llenado del 95% del transformador. El aceite mineral tiene la función de aislar las partes activas internas del transformador. Este aceite se emplea como fluido refrigerante humedeciendo el núcleo, las bobinas y los materiales sólidos con el fin de extraer el exceso de calor que circula dentro del tanque debido a las pérdidas del núcleo y sus bobinas. De acuerdo a lo anterior, el aceite mineral debe ser preparado y refinado cumpliendo ciertas propiedades físicas, químicas y eléctricas, y debe cumplir la función de aislar y refrigerar el transformador y así prolongar tanto la vida útil de los aislantes sólidos como la del mismo transformador. El aceite es utilizado como medio de aislamiento, puesto que su rigidez dieléctrica es seis veces más que la del aire, pero con el paso del tiempo se experimenta un proceso de envejecimiento debido a las condiciones operativas y de falla del transformador como son: altas temperaturas, medio ambiente, condición de cortocircuito, sobrecargas, corrosión, humedad, entre otras. Para los transformadores de distribución es de suma importancia tanto el aislamiento como el método de refrigeración, ya que, la refrigeración en el transformador evita posibles fallas en las partes internas, reducción de su tiempo de vida y capacidad de carga.. 17.

(27) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. El bajo costo, la elevada rigidez dieléctrica y la posibilidad de recuperación aún después de estar sometidos a situaciones dieléctricas excesivas, hacen del aceite mineral el material aislante más ampliamente usado en este tipo de transformadores. Se debe aclarar que, dichos aceites poseen dos desventajas fundamentales que son: Es inflamable. En algunas condiciones su humo produce mezclas con el aire.. 1.4.6 Bushings de alta tensión Es un dispositivo también conocido como “pasa tapas”. Los bushings deben ser instalados sobre la cubierta del tanque, provisto de resaltos y deben ser montados en posición contraria al soporte de sujeción al poste. Los bushings establecen una conexión eléctrica de la red de tensión al devanado de alta tensión, a través de la paredes del tanque sin hacer contacto con estas, protegiendo al transformador de arcos de corrientes que se puedan formar entre si y entre el tanque del transformador [8]. Por lo regular, en los transformadores LATINOS los bushings están construidos de porcelana con un barniz de color carmelita oscuro o gris, el cual les confiere mejores características eléctricas y mecánicas; en su mayoría se utilizan los construidos con porcelana por su bajo costo económico y propiedades eléctricas. Este tipo de aislador se compra a la firma colombiana GAMMA a un precio de 12.00 USD por unidad, cotizándose la parte aislante a un precio aproximado de 9.00 USD. En la actualidad se está trabajando en la sustitución de estos ya que un estimado de los indicadores de costo para una tonelada de aisladores fabricados con materia prima nacional muestra que el precio total unitario en moneda libremente convertible es del orden de los 5.00 USD, lo que representa un ahorro, con relación a sus homólogos extranjeros de 4.00 USD. El número de transformadores a fabricar cada año aumenta lo que significa que este valor tiende a incrementarse a medida que transcurre el tiempo [9].. 1.4.7 Bushings de baja tensión Este dispositivo es similar en fabricación al de alta tensión, con una diferencia en su forma y tamaño. Los bushings de baja tensión deben ser instalados en las paredes laterales del tanque del transformador en la posición del soporte de sujeción al poste. Los bushings de baja tensión evitan que los conductores internos roten en la pared del tanque, de manera que todos queden en posición fija. Los mismos van conectados a terminales que son de aleación de cobre estañado para la sujeción de conductores de cobre o aluminio con un rango de conductores apropiado a la capacidad del transformador [8].. 18.

(28) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. 1.4.8 Válvula de sobrepresión Es una válvula de material anticorrosivo, ubicado en la pared frontal del tanque y por lo menos 10 mm por encima del nivel del aceite. Esta válvula permite la evacuación de presión excesiva que hay en el interior del tanque, debido a las altas temperaturas del medio ambiente, sobrecargas, fallas secundarias externas o fallas internas en el devanado de baja tensión que se presentan en el transformador. Este dispositivo se abre a una presión de 0.7 Kg/cm², lo cual permite evacuar los gases acumulados internamente en la cuba del transformador. Al momento de normalizarse la presión, la válvula se sella automáticamente con el fin de prevenir la entrada de contaminantes al interior del transformador.. 1.5 Principales modelos de conexión de los transformadores LATINOS En las redes de transmisión, subtransmisión y distribución se usan los transformadores trifásicos y los bancos de transformadores monofásicos en conexiones trifásicas.Se denominan transformaciones trifásicas a los bancos de transformadores monofásicos que forman una conexión trifásica y los transformadores trifásicos propiamente dichos. Los bancos de transformadores monofásicos son convenientes en los sistemas de distribución donde hay gran combinación de cargas monofásicas y trifásicas, lo que posibilita gran flexibilidad de operación. Los bancos de transformadores monofásicos en conexiones trifásicos pueden ser de dos tipos: cerrados (cuando se utilizan tres transformadores monofásicos) y abiertos (cuando se utilizan solo dos transformadores). A continuación se hace referencia a los principales modelos de conexión de los transformadores LATINOS para su uso en bancos.. 1.5.1 Conexión Estrella Abierta – Delta Abierta. Para esta conexión mostrada en la figura 1.8 se tiene que: •. Su utilización óptima se obtiene cuando la carga monofásica es del orden de dos veces o mayor que la trifásica; de no ser así se crea un desbalance de voltaje secundario.. 19.

(29) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Figura 1.8. Conexión estrella abierta – delta abierta.. 1.5.2 Conexión Estrella no aterrada-Delta En este caso el esquema que representa la conexión se observa en la figura 1.9 y se cumple que: •. Su utilización óptima es para grandes cargas trifásicas del orden del 70% de la carga total.. •. Esta conexión permite en caso de quemarse un transformador, conectarlo en estrella-delta abierta.. •. No se recomienda usar con transformadores autoprotegidos.. •. Los equipos trifásicos deben tener protección de sobre corriente en las tres fases.. •. La conexión Y- es muy utilizada en Cuba en los sistemas de distribución, sin aterrar el neutro.. •. Elimina los terceros armónicos de los voltajes y corrientes por línea por secundario. Figura 1.9. Conexión estrella no aterrada – delta. 20.

(30) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. 1.5.3 Conexión Delta abierta-Delta abierta Las características de este tipo de conexión son las siguientes: •. Su utilización óptima es para grandes cargas monofásicas y pequeñas cargas trifásicas.. •. No se debe utilizar en cargas trifásicas solamente por su baja eficiencia.. Figura 1.10. Conexión delta abierta – delta abierta.. 1.5.4 Conexión Delta-Delta Para este caso las particularidades de este tipo de conexión son: •. Su utilización óptima es para grandes cargas trifásicas del orden del 70% de la total.. •. Por su baja interferencia se recomiende para alimentar centros telefónicos.. •. Todos los transformadores deben conectarse con la misma relación de transformación para evitar corrientes circulantes y tener valores óhmicos de impedancia muy semejantes.. •. En esta conexión, los voltajes de línea y fase coinciden en magnitud y en fase.. •. La relación de transformación se determina de manera similar al banco Y-Y, y la corriente por fase es menor en. 1. respecto a la de línea.. 3 •. La conexión -, tiene la ventaja que elimina las componentes de 3ero armónicos de los voltajes y corriente por la línea, pues circulan dentro de la delta, pero no hay acceso al neutro por ningún devanado y si son tres transformadores monofásicos tienen que tener igual impedancia de dispersión, porque si no es así la carga trifásica no se distribuye uniformemente por cada fase.. 21.

(31) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. •. No es muy usado en sistemas eléctricos, sí para abastecer energía a salones de operación u otro servicio que necesite aislarse de la tierra, no tener acceso a tierra.. Figura 1.11. Conexión delta – delta.. 1.5.5 Conexión Delta-Estrella La figura 1.12 muestra la conexión delta-estrella y en la misma se tiene que: •. Su utilización óptima es para grandes cargas monofásicas comerciales, donde las cargas de alumbrados y fuerza son tomadas de todas las fases.. •. Todos los equipos trifásicos deben tener protección en las tres fases.. •. Todos los transformadores deben de ser de igual capacidad.. •. Si se quema uno de los transformadores es inoperable el sistema.. Figura 1.12. Conexión delta – estrella.. 22.

(32) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. 1.5.6 Conexión Estrella-Estrella Este tipo de conexión se puede observar en la figura 1.13 y sus particularidades son: •. Su utilización óptima es para grandes cargas trifásicas con cargas monofásicas balanceadas.. •. Los tres transformadores no tienen que tener la misma capacidad, pero la capacidad del banco está limitada por el transformador de menor capacidad. •. El aterramiento debe mantenerse por las dos partes para evitar corrimiento del neutro en caso de desbalance de las cargas.. •. Si se quema uno de los transformadores no hay servicio trifásico.. Figura 1.13. Conexión estrella – estrella.. 1.6 Importancia de los transformadores de distribución LATINOS Actualmente dentro del sistema de distribución en la provincia Villa Clara, la mayor parte de los transformadores instalados son del tipo LATINOS, producidos en nuestro en país en la fábrica de transformadores de igual nombre ubicada en La Habana en el municipio Boyeros. Esta fábrica se fundó con el objetivo de dar solución a los problemas de electrificación nacional y sustituir importaciones para generar ahorros a la economía del país. Se estima que la producción de transformadores en esta fábrica es de 12000 al año, cifra con la cual se pretende satisfacer todas las demandas a nivel nacional puesto que es la única existente en la isla. Los transformadores monofásicos confeccionados por la fábrica LATINOS se fabrican para capacidades de 10 hasta 100 KVA con los siguientes niveles de voltaje: 23.

(33) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Tabla 1.4. Niveles de voltaje utilizados en la construcción de los trasformadores LATINOS. 7000. 120 /240. 7620. 240 /480. 19100. 120 /240. 19100. 240 /480. Aunque este tipo de transformador tiene una amplia aplicación dentro del sistema de distribución en la provincia, los mismos tienen un alto índice de salidas de servicio debido a factores internos y externos.. 1.7 Fallas que se presentan en los transformadores de distribución. De acuerdo a [10], existe una clasificación de los tipos de fallas que se pueden presentar en los transformadores de distribución tal como se indica a continuación: Térmicas: Ocurren cuando la temperatura de trabajo sobrepasa la establecida por el fabricante, ocasionando degradación del aceite dieléctrico de manera progresiva, lo que trae como consecuencia a mediano plazo el deterioro del equipo por efecto de una sobrecarga. Arco eléctrico: Ocurren cuando fallan las protecciones del transformador, lo que trae como consecuencia cortocircuitos externos que dañan internamente el equipo, dejando esa parte de la red eléctrica fuera de servicio en forma imprevista. Descargas Parciales: Son pequeñas descargas eléctricas que se producen en cavidades con gas presentes en un medio aislante sólido o líquido. En los transformadores de distribución están asociadas a condiciones de sobretensión ocasionando daños en el aislamiento.. 1.8 Principales fallas que se presentan en los transformadores de distribución LATINOS. Los transformadores de distribución se ven involucrados en diferentes escenarios sobrellevándolos a uno u otro tipo de fallo. En el momento de desarmar un transformador, en este caso LATINOS, al hacer un análisis interno del mismo se puede llegar a determinar características según la evidencia encontrada que permitan identificar algún tipo de falla en función de los escenarios siguientes: Sobrecarga Sobretensiones Cortocircuitos externos 24.

(34) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Problemas internos Manipulación inadecuada. Protección inadecuada. Humedad en el aceite (Hermeticidad defectuosa). Falsos contactos por el devanado de bajo voltaje Otras causas. Para cada una de estas causas ya se tienen un criterio preestablecido de manera que se pueda determinar con mayor facilidad la posible causa de falla del transformador. A continuación se explicará en que cosiste cada una de las fallas antes mencionadas, así como, algunos criterios para detectar y enfrentar las mismas.. 1.8.1 Sobrecarga La sobrecarga en los transformadores de distribución sucede al momento de sobrepasarse el valor de la potencia nominal exhibido en la placa característica, ya sea por una carga adicional o un mal dimensionamiento, para poder suplir la demanda requerida. Otra causa que conllevan al fenómeno de la sobrecarga es debido a la temperatura ambiental no adecuada para el cual fue diseñado el transformador, así como el desbalance entre las distintas fases [11]. En el momento en que el transformador falla, debido a la sobrecarga, se ven comprometidos los componentes internos del mismo, lo que conlleva a la disminución de su vida útil. Las irregularidades más comunes en el transformador LATINOS que se pueden observar debido a la sobrecarga son: Cuando se realiza la inspección exterior ante este tipo de fallas se evidencia los síntomas siguientes: Decoloración en los terminales de baja tensión. Color amarillento ennegrecido en los bushings de baja tensión. El tanque no presenta daño aparente, aunque en ocasiones se deteriora la pintura interna de este tal como se puede observar en la figura 1.10.. 25.

(35) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Figura 1.10. Pintura interna del tanque deteriorado debido a sobrecargas.. De igual manera, si se realiza la inspección interior, se puede observar entre otras cosas: En el aceite: presenta una degradación acelerada, con residuos de carbón y un olor a quemado, además de una disminución en el nivel del mismo. Este se torna enrojecido y con formación de lodo. En el núcleo: puede presentar carbón en su laminación. Cada una de estas evidencias del fenómeno de sobrecarga tiene lugar debido a: Expansiones futuras no programadas. La mala selectividad en la elección de la capacidad del transformador. Mala coordinación de los fusibles. Recalentamiento en las fases por mala distribución. A pesar de todos los inconvenientes antes mencionados, se puede evitar este tipo de falla de manera predictiva, realizando acciones como: Revisar las solicitudes de servicios para comprobar, si existe capacidad disponible en el transformador. Evitar secundarios mayores de 100 metros y emplear conductores de calibres adecuados. Seleccionar adecuadamente el fusible de protección primario. Chequear y eliminar acometidas de servicios fraudulentos. En áreas donde predomine este tipo de ilícitos, si es posible, tratar de emplear protección secundaria. Eliminar falsos contactos. Realizar acomodo de cargas, balanceo y división de circuitos. En caso de ser posible y necesario, aumentar la capacidad del transformador. 26.

(36) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. 1.8.2 Sobretensiones Las sobretensiones en los transformadores de distribución, se originan en el momento de una descarga atmosférica. Esta descarga busca el camino más fácil para mitigarse, ya sea sobre árboles, objetos o estructuras de gran altura sobre el suelo o en el tendido eléctrico [12]. En el instante en que una descarga atmosférica impacta sobre el tendido eléctrico, bien sea de transmisión, sub-transmisión, distribución o cualquier componente del sistema de energía eléctrica, se crea un campo electromagnético alterando los valores de tensión, corriente y por ende, la potencia dentro del sistema a valores anormales. Este campo electromagnético se expande por todo el tendido eléctrico afectando los componentes instalados en el mismo [13]. Entre los componentes instalados dentro del tendido eléctrico se encuentra el transformador de distribución que, de no contar con las protecciones pertinentes, en el momento de una sobretensión puede sufrir daños severos. En la figura 1.11 se puede apreciar el devanado de un transformador que fue afectado por sobretensión debido a una descarga atmosférica.. Figura 1.11. Devanado de alto voltaje dañado por descarga atmosférica.. Cuando ocurre una falla debido a sobretensión de origen atmosférico en los transformadores de distribución se presentan algunas irregularidades, las cuales se mencionan a continuación. Aislador de alta tensión ennegrecido. Evidencia de explosión en el núcleo o tanque. Evidencia de explosión entre los devanados de alta y baja tensión. Ruptura del devanado de alta tensión. Aceite de color ennegrecido. Cambio de derivaciones calcinado. Perforación de la bobina de baja tensión. 27.

(37) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Cortocircuito entre las bobinas pertenecientes a las primeras o ultimas capas de alta tensión. Aunque, ante la ocurrencia de este tipo de fallas resulta prácticamente innecesario realizar pruebas a los transformadores pues a simple vista se aprecia que se encuentran dañados por el efecto que trae consigo este fenómeno, de realizarse dichas pruebas se pueden apreciar los siguientes resultados: Relación de transformación (TTR): Normalmente marca "abierto", pero cuando el daño es muy severo puede marcar "cortocircuito" entre capas. Resistencia de aislamiento (MEGGER): Puede dar un valor bajo debido a la carbonización del aceite. Rigidez dieléctrica del aceite: Da un valor bajo que depende del grado de carbonización del aceite. La principal medida para revertir este tipo de fallas es la prevención. A continuación, se muestran un grupo de acciones para disminuir la incidencia de este tipo de fenómenos: Instalar pararrayos a todos los transformadores, teniendo en cuenta su adecuada selección y conectarlo lo más cercano posible el transformador. Interconectar el bajante a tierra de los pararrayos, con el neutro y tanque del transformador. Reemplazar pararrayos en mal estado de manera que el transformador tenga siempre su protección completa. Concientizar al personal que efectúa las revisiones de los circuitos en la importancia que tiene el reportar: pararrayos dañados o faltantes, bajantes de tierra rotos, pararrayos desconectados o mal conectados. En base al punto anterior programar los trabajos de mantenimiento necesarios. Si se tienen dudan sobre pararrayos que no estén operando correctamente, se deben efectuar las pruebas correspondientes. Realizar la medición de resistencia de tierra con el Megger y comprobar que esta se encuentre dentro de los límites permisibles.. 1.8.3 Cortocircuitos Estos pueden tener lugar tanto por primario como por el secundario del trasformador. Cortocircuito por secundario: Este tipo de fenómeno se presenta mucho en la distribución secundaria. Ocurre con más frecuencia en el caso de los transformadores LATINOS, en transformadores de 10, 15 y 25 kVA por las condiciones de diseño del devanado secundario. Cuando la capacidad del transformador es menor de 25 kVA, se utilizan pletinas las cuales tienden a desplazarse y chocar con el núcleo provocando la falla. A partir de capacidades de 25 kVA en adelante, se confecciona el devanado 28.

(38) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. con folios, los cuales no tienden a desplazarse. Este tipo de falla se observa mucho en transformadores con capacidades de hasta 25 kVA. El daño que se presenta en el transformador por esta posible causa se debe al paso de una corriente excesiva o de baja impedancia que circula a través de los devanados. Una medida la resistencia mecánica de las bobinas del para evitar este tipo de fenómeno sería mejorar transformador. En la figura se observan los daños que puede ocasionar un cortocircuito.. Figura 1.12. Devanados dañados producto de un cortocircuito externo.. Los cortocircuitos por secundario pueden aparecer debido a causas externas como: Cortocircuito en acometidas. Conductores colgados. Conductores rotos. Vientos. Mala calidad de fusible. Al realizar la inspección exterior e interior al transformador se puede observar lo siguiente: Inspección exterior: Tanque: Puede presentar abombamiento o ruptura. Bushings de baja tensión: Se observan daños evidentes. Inspección interior: Núcleo: No presenta daño.. 29.

(39) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Devanados: En este caso se presenta un desplazamiento de los devanados de alta tensión y baja tensión. El aislamiento se carboniza en una mínima proporción, así como, se pueden observar residuos de conductores y aceite carbonizado. Las acciones llevadas a cabo para disminuir los cortocircuitos en el secundario pueden ser:. Reducir la longitud de los secundarios, evitando distancias excesivamente prolongadas. Utilizar, donde se justifique, protección secundaria. Instalar conductores adecuados a la carga. Revisar y aplicar debidamente las prácticas actuales de selección del fusible primario que protege al transformador. Tensionar conductores "colgados", o si se justifica, instalar separadores. En caso de que los conductores se encuentren dañados se deben reemplazar. En áreas arboladas cuando se instalen secundarios nuevos, utilizar conductores forrados y para los que están en operación se deberá cumplir con el programa de poda. Retirar objetos extraños de las líneas. Eliminar falsos contactos en las líneas y en la conexión de las acometidas, así como concientizar al personal (linieros e instaladores) de la importancia que tiene el efectuar las conexiones y los puentes correctamente. Si se tiene duda sobre fusibles que no estén operando satisfactoriamente, efectuar las pruebas correspondientes.. Cortocircuito por primario: Este fenómeno en los transformadores de distribución LATINOS está dado principalmente por la falla del aislamiento del mismo. Generalmente ocurre cuando el cierre del transformador no se realiza de forma hermética y entra agua provocando daños en el aislante líquido lo cual trae consigo la presencia de cortocircuitos por el devanado de alta del transformador. Este fenómeno se puede evitar mejorando el aislamiento del transformador y también asegurando el correcto cierre del tanque del mismo para garantizar su hermeticidad.. 1.8.4 Problemas internos Las secuelas de una falla interna no claramente son evidentes en el exterior del transformador. El detectar la presencia de un fallo interno es de crucial importancia, debido a que los riesgos. 30.

(40) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. aumentan significativamente a medida que evoluciona el fallo. La falla interna se presenta tanto en el lado de alta tensión como en el de baja tensión, y principalmente son ocasionadas por: La presencia de humedad en el interior del equipo. Los falsos contactos. Terminales de salida partidos. Bajo nivel de aceite.. 1.8.5 Manipulación inadecuada Este tipo de falla sucede por mala manipulación del equipo, debido a los métodos rápidos de dar solución a los problemas de interrupción de la energía eléctrica. Estas soluciones, no se enfocan en la causa principal de por qué ocurrió dicha falla, sino que, solo actúan de acuerdo a la necesidad del momento y pasan por alto observaciones las cuales traen consecuencias más adelante como el deterioro de la vida del transformador. Al momento de una falla por mala manipulación, se presentan algunas características en el transformador como:   . Terminales de bajas tensiones flojas y/o fundidas. Ruptura de los aisladores. Ruptura de conmutadores.. 1.8.6 Protección inadecuada En este grupo se encuentran los transformadores que se dañan por protección inadecuada y pueden presentar características de una segunda causa, ya que el equipo está expuesto a dañarse por no contar con protección. Para definir que un equipo se averió por esta causa, únicamente puede ser conociendo el estado real del sistema de protección, ya que, de no contar o estar en malas condiciones, no se puede atribuirle a otro fenómeno el origen de la falla. En esta clasificación no hay rasgos específicos que identifiquen este tipo de falla, ya que puede presentar cualquier característica de falla que no fue protegida como pueden ser cortocircuito, rayo, etc. Algunas causas externas que provocan la protección inadecuada son: Selección de fusibles de capacidades inadecuadas. Sistemas de tierra inadecuados, rotos, con falsos contactos u omisión de los mismos.. 31.

(41) Capítulo 1. Referentes teóricos acerca de los transformadores. Pararrayos inapropiados o dañados.. 1.9 Consideraciones finales del capitulo . Por lo general, el núcleo de los trasformadores de distribución LATINOS es del tipo acorazado con vista a lograr una mejor distribución del flujo magnético.. . La construcción de los núcleos de los transformadores LATINOS desde hace pocos años en nuestro país, a partir de la importación del acero laminado, ha permitido un ahorro considerable en divisas.. . Existen dos tipos de cambiadores de tap en los transformadores de distribución: tipo triangulo y tipo bola, siendo el primero de ellos el que se escoge como preferencia en los transformadores de distribución LATINOS.. 32.

(42) Capítulo 2. Análisis y diagnóstico del transformador de distribución Latino. Capítulo 2. Análisis distribución Latino. y diagnóstico. del. transformador. de. A partir de investigaciones realizadas en años anteriores que se relacionan con el tema se toma como referencia la propuesta de estrategia de diagnóstico aplicable a transformadores eléctricos expuesta en el trabajo Estrategia de mantenimiento y diagnóstico predictivo aplicables a transformadores eléctricos del autor Inaudis Hernández Paz. Durante el desarrollo de este capítulo se recogen algunos de los aspectos de mayor importancia relacionados con el aislamiento del transformador eléctrico como principal fuente de falla de estos dispositivos en su normal funcionamiento. El estado actual del uso de los transformadores de distribución en la provincia de Villa Clara a partir de la estadística de que se dispone, el análisis de los estados de funcionamiento y principales causas de fallas desde durante la explotación del transformador quedan recogidas en esta investigación. ATP como herramienta de análisis Necesidad del monitoreo al funcionamiento de los transformadores eléctricos.. 2.1 Necesidad del monitoreo al funcionamiento de los transformadores eléctricos Los SEP tienen al transformador como un punto de suma importancia en sus redes de transporte y distribución de energía eléctrica ya que los consumidores e industrias dependen de la calidad y la continuidad del suministro eléctrico que se brinda. La presencia de redes no malladas o sea tipo radial si presentan una falla por ejemplo en el transformador de una estación reductora primaria el suministro de una zona puede ser interrumpido por horas hasta que se resuelva la falla o en el peor de los casos que se reemplace el transformador. Todas estas fallas significan pérdidas monetarias, y la interrupción de servicios básicos como el suministro de agua potable y el manejo de aguas residuales, también se puede ver afectado el servicio en hospitales, el cual puede ser interrumpido si se presenta una falla eléctrica prolongada [14]. La presencia de un grupo de acciones y tareas que involucren el diagnóstico que pueda anticipar el momento en que una falla se va a presentar o alguna cuestión tanto interna como externa que pueda influir sobre el correcto funcionamiento del dispositivo se hace imprescindible para logar un mantenimiento de alta calidad y alta cuota de responsabilidad por parte de la empresa encargada de realizar las acciones. Con el monitoreo al funcionamiento del transformador se logra tener una idea concreta sobre el estado físico del dispositivo y con esto ahorrar pérdidas técnicas y monetarias.. 33.