Un transformador es uno de los componentes principales de un sistema de distribución eléctrica con el mayor impacto en el rendimiento del sistema durante el funcionamiento en estado estable (normal) y durante las perturbaciones del sistema, como una falla.
Por lo tanto, los ingenieros deben asegurarse de que el transformador tenga el tamaño adecuado para la aplicación específica y pueda suministrar la energía adecuada a las cargas en las condiciones de diseño y las pautas estándar.
Las aplicaciones típicas para este tipo de equipos importantes son plantas industriales, edificios comerciales, hospitales, edificios de oficinas, centros comerciales, escuelas, edificios de apartamentos, etc.
Este artículo se centra en transformadores de tipo seco, tales como autoenfriamiento ventilado, enfriado por aire forzado, no ventilado, autorefrigerados y sellados autorefrigerados de menos de 30 MVA y 34,5 kilovoltios.
En general, los transformadores de tipo seco son menos inflamables (es decir, no contienen líquidos ni aceite) y presentan menos riesgo de incendio, lo que los hace más adecuados para su uso en edificios y cerca de ellos. Este tipo de transformador tiene una temperatura de funcionamiento más alta y normalmente requiere un espacio más grande. Debido a que los transformadores de tipo seco requieren aire para enfriar, es necesario proporcionar un sistema de ventilación de tamaño adecuado para el calor generado por el transformador.
El enfoque general para dimensionar los transformadores y el impacto del sistema relacionado son similares para todos los tipos de transformadores con diferentes clases de enfriamiento.
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Sitio para ubicación del transformador
Se debe tener una consideración cuidadosa al seleccionar la ubicación adecuada para un transformador. Varios detalles, incluido el tipo de transformador, tamaño, ventilación, presión atmosférica, altitud, nivel de voltaje y espacio libre, tendrán un factor determinante en la selección de la ubicación ideal para el transformador requerido para una determinada instalación.
Un ingeniero debe conocer las limitaciones debidas a la ubicación seleccionada de un transformador. En general, las clasificaciones de kVA se basan en una temperatura que no debe exceder los 40 ° C de temperatura ambiente (o una temperatura ambiente de 30 ° C como promedio durante un período de 24 horas; de lo contrario, se producirá una disminución en la vida útil) y también la instalación de mas de 1000mt sobre el nivel del mar.
Si no se cumple alguna de estas condiciones, se debe reducir la capacidad nominal del transformador. En tal caso, los kVA del transformador debe reducirse en un 8% por cada 10 ° C por encima de 40 ° C (cuando se enfría por aire para un transformador de tipo seco) y también en un 0,3% por cada 100mt sobre los 1000mt de altitud) . Se discuten más detalles para la consideración del sitio en NFPA 70: Artículos 450.8, 450.21 y 450.22 del Código Eléctrico Nacional.
Selección del voltaje para el transformador
El voltaje primario generalmente se selecciona con base al voltaje de la fuente disponible (por ejemplo, la fuente de la red eléctrica) y el voltaje de carga requerido, si la carga está diseñada para operar en un sistema monofásico o trifásico. Los transformadores de medio voltaje con voltaje estándar son: 2,400v, 4,160v, 4,800v, 6,900v, 7,200v, 12,000v, 13,200v, 13,800v, 23,000v y 34,500 voltios. El lado de bajo voltaje incluye 208v, 480v, 2400v y 4 160v.
Figura 1.
Conexión e impedancia del devanado del transformador
Las disposiciones de conexión estándar y el marcado de terminales se incluyen en las normas para tipos particulares de transformadores de acuerdo con la norma IEEE C57.12.70.
Las conexiones de devanado (fase) más típicas para transformadores de potencia, incluido el desplazamiento angular entre alto y bajo voltaje, se muestran en la próxima figura:
Figura 2. Tipos de conexiones de transformadores
Con base en este estándar, el desplazamiento angular de transformadores trifásicos con delta-delta o estrella-estrella las conexiones deben ser de cero grados y las conexiones estrella-delta o delta-estrella deben ser de 30 grados.
En general, la selección de las conexiones de los devanados se basa principalmente en el diseño general del sistema, los parámetros requeridos del sistema (por ejemplo, la capacidad de resistencia a la corriente de cortocircuito del equipo) y especialmente el esquema de conexión a tierra del neutro del sistema. Además, la conexión en estrella puede configurarse como uno de los tipos de conexión a tierra, como abierto (sin conexión a tierra), sólido (conectado a tierra sólidamente, sin impedancia intencional en la ruta de conexión a tierra neutra), resistencia (se usa una resistencia en la ruta de conexión a tierra neutra), reactor (se usa un reactor en la ruta de conexión a tierra neutral) y algunas otras opciones menos aplicables.
La configuración y el esquema de la conexión a tierra dependen del sistema de conexión a tierra del neutro de la instalación. Un transformador en estrella sólidamente conectado a tierra (secundario) es una aplicación típica en instalaciones para un sistema de bajo voltaje (por ejemplo, 4,16 kilovoltios: 0,480 kilovoltios).
Además, Z (impedancia, basada en las clasificaciones de kVA del transformador) generalmente se muestra en la información de la placa de identificación que se adjunta al frente o dentro del gabinete del transformador. Este valor tiene un alto impacto en los parámetros del sistema de distribución eléctrica, como la caída de voltaje, el cortocircuito disponible y la energía incidente. Por ejemplo, elegir un transformador de mayor impedancia (es decir, de 5,5% a 7,5%) puede reducir la corriente de falla disponible, lo que permite equipos con clasificaciones de cortocircuito en amperios más bajos, siempre que no haya problemas con el voltaje del sistema dentro de una instalación.
ANSI C57.12.10 especifica valores de impedancia típicos para transformadores de más de 500 kVA. Este valor depende de la clasificación de kVA y también de las clasificaciones de voltaje del transformador del lado de medio y bajo voltaje. Por ejemplo,% Z para transformadores en el lado de media tensión inferior a 34,5 kilovoltios está entre 5,5% y 7,5%. Tenga en cuenta que el % Z típico para 13,8 kilovoltios o menos en el lado de media tensión y 2,4 kilovoltios o menos en el lado de baja es 5,75%.
La mayoría de los transformadores de potencia de la industria están incluidos en este rango de niveles de voltaje. Para un transformador menor o igual a 500 kVA, una impedancia % Z típica puede variar entre 2.3% y 5.2% según el nivel de voltaje. Por ejemplo, un transformador de 100 kVA con 8,32 kilovoltios o menos en el lado de media tensión tiene un valor típico de 2,6% de impedancia, todos los anteriores valores son de referencia, por ello se debe revisar los valores con el proveedor del transformador para considerar datos mas exactos.
Calculo y dimensionamiento de transformadores
Debido al papel crítico de los transformadores en los sistemas de distribución eléctrica, es esencial que el transformador tenga el tamaño correcto para que pueda cumplir con todas las condiciones de carga aplicables. Si tiene un tamaño insuficiente, puede crear problemas dentro de los sistemas de distribución eléctrica, incluida la pérdida de cargas. En general, el dimensionamiento del transformador se puede realizar con base a dos métodos:
- Carga conectada.
- Carga operativa.
En ambos casos, se deben considerar el crecimiento de la carga y la modificación futura de las instalaciones y los factores de reducción, como la temperatura ambiente y la altitud.
El factor de crecimiento generalmente se basa en el diseño de cada sistema y puede variar; 110% a 130% es un rango razonable. En ambos métodos, el dimensionamiento se realiza desde el sistema aguas abajo hasta el transformador principal (es decir, de abajo hacia arriba).
La diferencia entre estos dos métodos es determinar un total de cargas en kVA conectadas. Hay varias consideraciones que determinarán qué método utilizar, como el margen de diseño requerido, la especificación del proyecto, el costo, la disponibilidad de espacio y el impacto en la caída de voltaje y la corriente de falla disponible.
El cuadro de cargas del sistema de distribución eléctrica de una instalación industrial típica, como una planta de tratamiento de agua, se muestra en la siguiente tabla: (correspondiente al unifilar de la Figura 3)
La tarea es evaluar el tamaño del transformador, basado en sus cargas requeridas, utilizando los dos métodos mencionados anteriormente.
Dimensionamiento de transformador basado en todas las cargas conectadas, el método conservador.
Todas las cargas conectadas se consideran independientemente de su condición operativa y función del sistema. El dimensionamiento se realiza desde los transformadores aguas abajo hacia el principal. Como se muestra en la Figura 3 y 4, el transformador aguas abajo (LV XFMR) es trifásico de 4.16 a 0.480 kilovoltios (500kVA) y el transformador principal (servicio XFMR) es trifásico de 13.8 a 4.16 kilovoltios (2500kVA) que suministran diferentes tipos de cargas (por ejemplo, cargas de motor, variadores de frecuencia, cargas estáticas, panel de distribución).
Las cargas individuales con sus correspondientes parámetros del sistema, como caballos de fuerza nominales, factor de potencia, eficiencia y factor de carga se tabulan en el cuadro de cargas. Se calcula los kVA totales del sistema conectado incluyendo el margen de diseño y luego se calculará el siguiente tamaño estándar disponible seleccionado.
Los kVA de tamaño estándar típico para un transformador trifásico basado en ANSI C57.12.00 típicamente varía entre 15 y 100,000 kVA que se basan en la salida del transformador. Se espera que los kVA de entrada sea mayor en un 1% a un 5% (es decir, se refiere a la eficiencia del transformador) debido a las pérdidas del transformador en su núcleo y devanados, disipadas como calor. Estos cuadros de cargas y flujos para cada transformador se muestran en las Figuras 5 y 6.
En general, a menos que se especifique, los transformadores no deben sobrecargarse y deben ser aprobados por el fabricante para cualquier operación de sobrecarga de corta duración debido a la temperatura ambiente más baja.
La evaluación de los datos y el tamaño seleccionado del transformador en kVA que se muestran en estas tablas se confirman y analizan mediante la realización de un análisis de flujo de carga utilizando el software eléctrico ETAP . En la Figura 3 y 4 se muestra el flujo de energía (kVA) para cada alimentador, incluido el porcentaje de voltaje (del valor nominal) y la corriente de falla para el centro de control de motores y protecciones principales.
Dimensionamiento de transformador basado en las operaciones reales del sistema
Todas las cargas conectadas se considerarán en función de sus condiciones de funcionamiento (es decir, factores de carga). Al igual que con las cargas conectadas, el dimensionamiento se realiza desde el transformador aguas abajo hacia el principal con el mismo proceso. Los kVA totales, incluidos el margen de diseño, los factores de carga y el tamaño del transformador seleccionado, se calculan y se muestran en las Figura 7 y 8.
La evaluación del mismo sistema con diferentes tamaños de transformador se muestra en la Figura 4. flujo de energía para cada alimentador, incluido el voltaje porcentual y la corriente de falla, también se muestran para el interruptor principal y el MCC.
Además, hay algunos resultados que deben tenerse en cuenta al comparar las Figuras 3 y 4. Primero, el método de cargas conectadas es un enfoque más conservador al dimensionar el transformador y proporcionará un mejor perfil de voltaje del sistema en el lado secundario, pero genera e inyecta más corriente de falla. Esto se debe principalmente a un tamaño mayor del transformador en kVA y en consecuencia, a una mayor inyección de cortocircuito al sistema.
En segundo lugar, los transformadores de potencia típicos están equipados con cambiadores de tap fijos (es decir, dos cambiadores de 2.5% por encima del voltaje nominal y dos cambiadores de 2.5% por debajo del voltaje nominal) que están diseñadas para ajustar el voltaje del transformador en el lado primario o secundario. Por lo tanto, se recomienda utilizar esta capacidad para aumentar (o disminuir) el voltaje del sistema si es necesario.
Por ejemplo, el voltaje en el bus MCC en la Figura 4 se puede aumentar en un 2.5% o un 5% si se desea. Sin embargo, un diseñador de sistemas debe tener cuidado de no resolver un problema (es decir, el perfil de voltaje del sistema) y simultáneamente crear otro problema (es decir, inyectar más corriente de falla al aumentar el voltaje del sistema). Además de los cambiadores de taps fijos, el transformador podría estar equipado con un cambiador de voltaje de carga automático que proporciona un rango más amplio típicamente de -10% a + 10% del kilovoltio del devanado con un paso más pequeño (0,625%) para ajustar y controlar el voltaje del bus según el valor de voltaje deseado.
También es importante señalar que se recomienda un transformador con clasificación de factor K para dimensionar el transformador debido a la generación de calor si la instalación contiene fuentes generadoras de altos armónicos, típicamente más del 15% de distorsión armónica total. El factor K determinará cuánto debe reducirse o sobredimensionarse un transformador para manejar dicho sistema. Consulte ANSI / IEEE C57.110 para obtener más detalles.
Los transformadores desempeñan un papel fundamental para garantizar el funcionamiento adecuado del sistema de energía. Deben dimensionarse y seleccionarse cuidadosamente al diseñar y analizar el sistema de distribución eléctrica para proporcionar un funcionamiento confiable y seguro del sistema de energía. El tamaño adecuado del transformador debe considerar los factores de reducción aplicables, como la temperatura ambiente y la altitud y, además, los impactos en el voltaje del sistema de distribución eléctrica y la contribución de la corriente de falla.