Limitacions d'operació del transformador

Les pèrdues per calor del transformador
Les classificacions tèrmiques d'un transformador estan determinades pels tres factors següents:

1. La quantitat de calor produïda en el debanats i connexions
2. La quantitat de calor produïda en el nucli de ferro
3. L'eficàcia amb que la calor pot ser dissipada del transformador

Per tant, la calor que es produeix ha de ser igual a la calor que s'elimina o dissipa per assolir un equilibri tèrmic.
L'eficiència dels transformadors de potència és alta, sobretot, per als grans transformadors a plena càrrega. No obstant això, les pèrdues són presents en tots els transformadors. Aquestes pèrdues es classifiquen com:

• Per la llei de Joule o I²·R
• Per les corrents en el nucli

Pèrdues del coure
Les pèrdues del coure són resistives i proporcionals al corrent de càrrega. A mesura que es carrega el transformador, la calor que es produeix en els debanats i connexions primàries i secundàries, és a causa de la I^2·R. A càrregues baixes, la quantitat de calor produïda serà petita, però a mida que augmenta la càrrega, la quantitat de calor produïda arriba a ser significativa.
A plena càrrega, s'estarà operant en o prop de la seva temperatura de disseny.
La següent figura, mostra la relació entre el  corrent i la calor produïda en els debanats del transformador.

Pèrdues del ferro
Les pèrdues del ferro es deuen a les corrents de Foucault formades en el nucli del transformador. Les línies de flux es formen al voltant dels conductors que porten corrent. La major part del flux és com s'indica a la següent figura, de manera que flueix al voltant del nucli.
Les laminacions proporcionen petits espais entre les plaques. Com que és més fàcil per al flux magnètic fluir a través del ferro que l'aire o oli, el flux de dispersió que pot causar pèrdues en el nucli es redueix al mínim.

El flux, fluirà perpendicularment a la base i causarà corrents paràsits que es crearan en el propi nucli. Per reduir aquest efecte, el nucli està laminat tal com s'il·lustra a la següent figura. Les laminacions proporcionen petits espais entre les plaques.

Limitacions de temperatura del transformador
Per transformadors secs (refrigerat per aire) (que normalment tenen els seus bobinats aïllats amb resina de silicona), el límit de temperatura és de 155°C.
Permetre que l'aire circuli a través dels debanaments i sobre el nucli permet refredar aquests transformadors. Suposant una temperatura ambient màxima de 40°C, llavors l'augment de la temperatura es limita a 155° - 40° = 115°C.
Per als transformadors aïllats en oli, en general, hi ha un termòmetre de l'oli per proporcionar la temperatura del bobinat. Es deriva fent passar una quantitat representativa del corrent de càrrega a través d'una resistència col·locada en l'oli segons la següent figura.

Els límits actuals
Tenen dos efectes directes sobre el transformador:
Produeixen calor en els bobinats del transformador com s'ha comentat anteriorment.
Es produeix una caiguda de tensió en el debanament de sortida proporcional al corrent de càrrega. A mesura que es carrega el transformador, la tensió secundària caurà a causa dels efectes de la resistència del debanat i la reactància.

Límits de tensió i freqüència
Ja s'ha comentat com la tensió i freqüència de funcionament s'han de mantenir dins dels valors nominals a causa del disseny físic (aïllament del debanat i la construcció del nucli). L'efecte d'aquests paràmetres en el sobreescalfament del nucli que a vegades, passa per alt.
Si la tensió augmenta mentre la freqüència es manté constant, o la freqüència cau mentre que la tensió es manté constant, el flux al nucli augmentarà. El nucli s'escalfarà a causa dels efectes de histèresi i corrents paràsits en el nucli.

Font: Electrical Engineering

Què passa quan es produeix un incendi en un transformador de la subestació

Si es produeix un incendi com a conseqüència d'una fallada en un transformador, aquest quedarà totalment fora de servei. No obstant això, el cost total d'un incendi del transformador és típicament de l'ordre de 2-3 vegades el cost del reemplaçament del transformador i depenent de la violència de l'incendi pot ser, moltes vegades, el cost de la màquia elèctrica a part del cost per la pèrdua de subministrament per al client.

Per tant l'estratègia serà:

• Reduir al mínim el risc que es produeixi un incendi en un transformador.
• Protegir les víctimes potencials d'incendi: Els éssers humans i la resta de la instal·lació de la subestació que el foc podria danyar.
• Mantenir el subministrament durant l'incendi, o si no és possible restablir el subministrament tan aviat com sigui possible després de l'incendi.
• Evitar la contaminació i la contaminació del medi ambient.

Els productes de combustió i el seu efecte sobre la vida i la seguretat
El resultat de la combustió es pot dividir en quatre categories:

1.- Gasos del foc
L'oli del transformador i l'aïllament de cel·lulosa es cremen lliurant majorment diòxid de carboni, o monòxid de carboni si el subministrament d'aire està restringit. Altres gasos més tòxics o corrosius poden ser alliberats coma a resultat de la crema d'aïllament del cable.

Això és de particular preocupació amb les instal·lacions interiors dels transformadors. La calor i els gasos del foc són la causa principal de morts en els incendis.

2.- Fums
Aquests, consisteixen en partícules sòlides molt fines a més de vapor d'aigua condensada. En molts casos el fum arriba fins a nivells insostenibles abans que la temperatura. Això és especialment així, quan el foc es produeix a l'interior o en locals tancats.
Les partícules de fum poden causar danys en el sistema respiratori i poden perjudicar la visió si s'allotja als ulls i per tant, poden reduir la capacitat d'escapar del foc del transformador.



3.- La calor del foc
La calor de la flama pot causar la deshidratació i l'esgotament i, si és intensa, pot causar una greu disminució de la pressió arterial i la insuficiència de la circulació sanguínia. Les cremades poden ser causades pel contacte amb flames, objectes calents o per la radiació.

4ª: La pèrdua d'oxigen.
El nivell d'oxigen en l'aire normal és del 21% i si cau per sota del 15%, les habilitats musculars disminueixen, a una nova reducció del 14 o del 10%, la fatiga i el judici es deteriora. Si l'oxigen redueix entre el 10 fins al 6%, apareix un col·lapse complet i es produeix la pèrdua de consciència.

Classificació dels incendis i dels agents d'extinció
La classificació dels incendis, segons el que determina l'Associació Nacional de Protecció contra Incendis [NFPA] és :

Classe A - Els incendis de materials combustibles ordinaris (que resten incandescents intensament després de la crema). L'agent extintor és l'aigua.
Classe B - Incendis de líquids inflamables. L'agent extintor és l'aspersor d'aigua
Classe C - Els incendis en equips elèctrics. L'agent extintor ha de ser no conductor, com pot ser: la pols, el diòxid de carboni, la vaporització de líquids (escumes o polvoritzadors d'aigua a una distància segura).

Classificació de resistència al foc
La resistència d'una estructura de la subestació i el seu material de construcció, incloent edificis, s'indica normalment per una combinació de lletra de codi i un nombre. Existeixen variacions significatives entre països en els mètodes d'assaig utilitzats i el codi de classificació aplicats. No obstant això, és comú l'ús d'una combinació de lletres i números que es realitza utilitzant la classificació REI.

Aquest mètode de classificació, assigna una qualificació segons el període del foc, de manera que en qüestió de minuts i en base a tres criteris diferents, s'utilitzen les lletres de la següent manera:
Adequació estructural [R]: La capacitat de mantenir l'estabilitat i la capacitat de suport de càrrega.
Capacitat a la integritat [E]: La capacitat de resistir a la flama i el pas de gasos calents.
Aïllament [I]: La capacitat de mantenir una temperatura a la superfície no exposada per sota d'un límit especificat.
Per extinguir un foc, cal tallar un dels costats del següent triangle:

Eliminar la calor
L'incendi pot extingir-se si s'elimina la calor i el combustible es refreda per sota de la seva temperatura de punt d'inflamació. L'aigua pot ser molt eficient com a mitjà de refrigeració per extingir incendis externs i per protegir els actiu propers.
L'aigua sola no és eficaç en l'extinció d'incendis en dipòsits d'oli per aquest propòsit, és millor l'aigua amb escuma, ja que cancel·la l'oxigen de la superfície de l'oli.



Desplaçament o dilució d'oxigen
L'eliminació de l'oxigen pot ser un mètode molt eficaç en l'extinció d'incendis, on sigui possible aquest mètode. Només una lleugera disminució de la concentració d'oxigen en l'aire disminueix la intensitat del foc i per sota de 16% d'oxigen en l'aire, no hi ha risc d'un incendi.

Molts gasos alternatius s'han utilitzat amb èxit per desplaçar o diluir l'oxigen i per tant extingir el foc transformador com són el diòxid de carboni, l'haló i el nitrogen.



El desavantatge de tots aquests gasos és que pot afectar als éssers humans si s'injecta el gas abans que siguin evacuats.
Alguns fabricants de sistemes d'extinció d'incendis del transformador, han utilitzat la injecció de nitrogen per focs en la base dels transformadors plens d'oli. En aquesta aplicació, el nitrogen es mourà i refredarà l'oli de la cuba del transformador i desplaçarà l'aire per sobre, fent efectiva l'extinció del foc.
L'escuma pot ser molt eficaç en incendis on hi ha bassals d'oli, però és menys eficaç en focs d'oli on aquest, es vessa per sobre una superfície vertical. Així, és difícil aplicar l'escuma en un foc que crema dins d'una cisterna del transformador.
El ruixat d'aigua, l'aigua d'alta pressió i la boira o boirina d'aigua tenen el benefici de la dilució d'oxigen, d'aquesta manera proporcionen refrigeració.



L'eliminació del combustible
L'eliminació de combustible pot ser eficaç, però sovint no és possible. Hi ha algunes estratègies per a l'eliminació de combustible per a l'oli del transformador, ja que és possible equipar el tanc del transformador amb vàlvules de descàrrega d'oli que poden obrir-se per control remot.

Transformador, víctima del foc
El transformador pot ser víctima d'un incendi per causes externes no elèctriques, ja que els transformadors de grans dimensions contenen grans quantitats d'oli mineral. Llavors, quan cal afegir oli a la màquina elèctrica, aquest esdevé un combustible d'alta energia. Per això existeixen estratègies per minimitzar el risc de pèrdues i ignició d'aquesta font de combustible. Per això cal que sigui considerat com a part del procés de disseny de la subestació.

La protecció més eficaç és, probablement, les pantalles de foc i ruixadors d'aigua per refredar i mantenir l'oli dins de la cisterna del transformador, lluny d'oxigen i amb la temperatura per sota de la temperatura d'inflamació.




Font: Electrical Enginnering

L'èster com a dielèctric biològic per trafos de distribució

Siemens està subministrant més de 100 transformadors de distribució equipats amb fluids aïllants biodegradables a un dels majors distribuïdors elèctrics d'Alemanya. Per Siemens, és el major contracte per a transformadors de distribució d'aquest tipus.

A causa que els transformadors de distribució són l'última part de la distribució d'electricitat als consumidors, sovint es troben a prop dels edificis o en àrees residencials, per la qual cosa és preferible evitar l'ús de fluids aïllants potencialment inflamables. En el marc d'un projecte pilot, Netze BW, el distribuïdor elèctric més gran de l'estat alemany de Baden Württemberg, al sud-oest, s'ha fet càrrec dels primers transformadors de distribució equipats amb fluids aïllants biodegradables.

Més alta la temperatura d'inflamabilitat
Els nous transformadors estan plens d'èsters naturals -un líquid a base de plantes a partir de matèries primeres renovables, com la colza, el gira-sol o la soja-, que serveixen com un fluid refrigerant i líquid aïllant. Fins a la data, els olis minerals i de silicona s'han utilitzat per a aquest propòsit. No obstant això, si aquests es vessen són perjudicials per al medi ambient i fàcilment inflamables. L'èster és l'alternativa verda a aquests fluids, que és gairebé, totalment biodegradable. Com a resultat, una fuita del transformador té moltes menys conseqüències negatives que altres líquids tradicionals. A causa del seu punt d'inflamació superior, l'èster també ofereix una millor protecció contra el foc, el que fa que l'operació del transformador encara més segur. Els transformadors plens d'èster són una solució especialment segura, neta i compatible amb el medi ambient per a les zones de protecció de l'aigua i reserves naturals, així com per a les zones amb els requisits de protecció contra incendis particularment alt. El que és més, les proves de laboratori han demostrat que el paper especial que s'utilitza com a material aïllant en transformadors de distribució envelleix més lentament quan es submergeix en èsters i en absència d'oxigen, allargant la vida dels transformadors.

Èster: establint un nou estàndard?
Siemens té molts anys d'experiència en l'ús de fluids alternatius en els transformadors. La companyia ha estat produint grans transformadors que contenen èster aïllant com a fluid des de l'any 2004 i és un líder mundial en aquest camp. Fins a la data, els transformadors de distribució amb aïllament d'èster sintètic han estat fabricats per al seu ús en parcs eòlics.
Els transformadors de distribució en Netze BW es beneficiaran, per tant, de l'experiència de Siemens. Per a aquest projecte d'innovació, Siemens ja té una comanda de 102 transformadors aïllats amb èster natural. És el major contracte per a transformadors de distribució amb aïllament d'èster natural en la història de la companyia. El projecte pilot es va iniciar el 10 de juny amb un botó simbòlic en una subestació local a Baden-Württemberg. En col·laboració amb Siemens, la Universitat de Stuttgart, i l'Institut de Recerca d'Energia i Medi Ambient a Heidelberg, BW Netze estan monitoritzant els transformadors plens d'oli vegetal i avaluarà els resultats produïts al llarg d'un any d'operació. L'operador de la xarxa té previst utilitzar les dades resultants per determinar si l'èster natural podria ser utilitzable com a fluid aïllant estàndard i el refrigerant líquid en el futur.

Font: Siemens

Com reduir les pèrdues del transformador

Els canvis de disseny per reduir les pèrdues del transformador, igual que en un motor, sempre impliquen compensacions. Per exemple, si es considera la variació de la superfície de secció transversal del nucli del transformador. Un augment tendeix a reduir la pèrdua sense càrrega mentre que augmenta la pèrdua del bobinatge.
Un augment en volts, redueix la pèrdua de bobinatge. Per augmentar l'eficiència del transformador, les pèrdues en el nucli, probablement sigui l'aspecte que més s'ha estudiat. L'estructura del nucli te dues característiques importants d'estalvi d'energia no aplicables als motors industrials. En primer lloc, la colinealitat inherent entre l'orientació de laminació i la direcció del camp magnètic és possible gràcies a l'ús de xapa magnètica de gra orientada a les laminacions del transformador.
En segon lloc, perquè les laminacions es tallen en tires? Si el material és molt més prim, és pot utilitzar en un nucli de transformador destinat a una màquina rotativa. Considerant que les laminacions del motor són generalment de 0,014-0,025 polzades de gruix, el gruix de laminació d'un transformador, pot ser tan baix com 0.006, amb 0,009-, 012. Això redueix la pèrdua de corrent paràsita.





Una millora addicional que va aparèixer durant la dècada de 1980 va ser el material de nucli amorf.
Semblant-se més al vidre que l'acer, aquest material laminat no conté cap estructura granular. Permet laminacions de només 0.001 polzades de gruix, les qual s'utilitzen en els primers transformadors de distribució produïts en sèrie de 25 kVA fabricats per Westinghouse al 1986. Des de llavors, s'han posat en servei moltes unitats similars, juntament amb alguns transformadors de grans dimensions.
El disseny de trafos basats en la reducció de pèrdues, són ben coneguts. En general es componen de:

• L'ús de més material
• De millors materials
• De nous materials
• D'una millor distribució dels materials
• D'una millora en el medi i els mètodes de refredament

Cada disseny intenta aconseguir especificacions òptimes amb un cost mínim dels materials, o per reduir pes o volum o un cost total mínim de compra. A nivell mundial, cada vegada més consumidors estan comprant els transformadors en funció dels costos totals.

Màxima reducció de les pèrdues del ferro
Les pèrdues en les matèries bàsiques
L'elecció del metall és crític per a nuclis de transformadors, i és important que s'utilitzi acer magnètic de bona qualitat. Hi ha molts tipus d'acer que es poden utilitzar per a un nucli de transformador. Cada grau té un efecte sobre l'eficiència en una base a unitat de kg. L'elecció depèn de com s'avaluen les pèrdues del transformador sense càrrega i els costos totals de propietat.

Gairebé tots els fabricants de transformadors d'avui en dia fan servir ferro en els seus nuclis per proporcionar unes pèrdues del transformador baixes a causa dels efectes de la histèresi magnètica i els corrents de Foucault. Per aconseguir aquests objectius cal:

• Una alta permeabilitat,
• Uns laminats en fred,
• Gra orientat,
• Gairebé sempre s'utilitza ferro al silici.
• La construcció del nucli utilitza les làmines acuradament apilades.

L'evolució dels materials utilitzats en el nucli del transformador, es resumeix a continuació.

Taula 1 - Evolució del material del nucli
Hi ha dos materials bàsics, importants que s'utilitzen en la fabricació de transformadors:

• El metall amorf i
• El Cold Rolled Grain Oriented (CRGO)

Es pot observar que les pèrdues en el nucli de metall amorf, són menys del 25% respecte del CRGO. Aquest material dóna una alta permeabilitat i està disponible en formacions molt fines (com cintes) que resulta en moltes menys pèrdues que en el nucli CRGO.
L'ús d'altes densitats de flux en el CRGO (fins a 1,5 t) dóna lloc a majors pèrdues en el nucli. No obstant això, el debanat requereix de menys quantitat de coure a més, el volum de nucli és menor. Això redueix les pèrdues en el coure.

Al nucli amorf, la densitat de flux és menys gràcies a les laminacions primes i també ajuden a la reducció de pèrdues en el nucli. No obstant això, hi ha relativament un major volum r, el que resulta bobinats més grans, és a dir, major resistència que resulta en més pèrdues en el coure. Per tant les pèrdues del ferro depenen només de les densitats de flux del material seleccionats, sinó que afecten també les pèrdues en el coure.

Nucli amorf
Al 1986 es va introduir en el mercat un nou tipus de transformador el qual utilitza nuclis fets de metall amorf amb una ultra baixa pèrdua. Les pèrdues en el nucli són d'entre el 60% ​​al 70% inferiors a les dels transformadors que fan servir acer al silici. Fins a la data, aquests transformadors s'han dissenyat per a l'operació de distribució principalment per les empreses elèctriques per potències que van des dels 10 kVA fins els 2,5 MVA.
L'ús de transformadors de nucli amorf s'està ampliant en aplicacions de potència per a instal·lacions industrials i comercials. Especialment en països com el Japó.

El metall amorf és una nova classe de material que no té formació cristal·lina. Els metalls convencionals posseeixen estructures cristal·lines en què els àtoms formen una repetida disposició ordenada en tres dimensions. Els metalls amorfs es caracteritzen per una disposició aleatòria dels seus àtoms.

El cost i la tècnica de fabricació són els principals obstacles per a la posada al mercat d'una àmplia varietat de transformadors de nucli amorf. El preu d'aquestes unitats típicament varia d'entre el 15% i fins el 40% per als transformadors de nucli d'acer de silici. Fins a cert punt, la diferència de preu depèn de quin acer de silici es fa la comparació.
En l'actualitat, els nuclis amorfs no s'estan aplicant en els transformadors de tipus sec.
Per tant, el cost de l'energia elèctrica en el lloc on hi ha transformadors d'aquest tipus és un factor molt important en la realització de les anàlisis econòmiques. Els diferents fabricants tenen diferents capacitats per produir nuclis amorfs i, recentment, alguns han aconseguit avenços substancials en la fabricació d'aquests nuclis per a transformadors.
Les dificultats tècniques de la construcció d'un nucli d'acer amorf venen per restriccions de les mides dels transformadors que fan servir aquest material. El metall no és fàcilment dúctil, és molt dur i difícil de tallar, prim i fràgil, difícil d'obtenir en grans plaques.
No obstant això, el desenvolupament d'aquests tipus de transformadors continuen el futur, segur que sorgiran unitats més gran que 2.500 kVA.

Minimitzar les pèrdues de coure
La major part de pèrdues en el coure són per l'efecte Joule. Usar una secció més gruixuda del conductor implica una menor densitat de corrent. No obstant això, un augment arbitrari en l'espessor pot augmentar les pèrdues per corrents de Foucault. En general, la disminució del gruix radial condueix a la reducció de pèrdues per corrents paràsits.

Font: Electricalengineering

Simulació de la propagació d'harmònics

Els estudis únicament basats en solucions deterministes estan plens d'errors i permeten només, l'elecció limitada del mètode de mitigació adequada. El nivell de distorsió present en els sistemes de distribució és altament dependent de la càrrega present, independentment que estigui aigües amunt o aigües avall del transformador de distribució. Fins i tot la impedància del sistema pot variar, canviant el contingut d'harmònic de forma simultània en el sistema. Per tant, tots els casos en els estudis d'harmònics que s'han de realitzar amb precisió, exigeixen ​​mesuraments in situ. Els resultats es poden modelitzar segons el model utilitzat i, a la vegada, millorar la seva exactitud.

Un enfocament de modelatge basat en el mesurament en tres passos permet estudiar la influència dels conceptes de modelatge d'equips en l'estudi de propagació d'harmònics del sistema. Si es disposa d'un disseny sobre un model apropiat, les mesures que s'hagin obtingut en base a un perfil estadístic de la distorsió existent en el sistema i l'anàlisi combinat per calcular la distorsió, seran la base sincronitzada en el sistema de càrrega no lineal.

L'estudi de la influència de la càrrega no lineal en el funcionament del sistema es torna especialment important quan les càrregues de potència d'impulsos (com ho fan les màquines de soldadura o màquines de descàrrega elèctrica) són una part del sistema de distribució a analitzar. Els polsos de corrent arriben a valors de pic al voltant de 800 A en baixa tensió per aquests dispositius, els quals resulten en forta distorsió de la tensió i fan augmentar la possibilitat de funcionament incorrecte del sistema. Els elements del sistema de distribució es representen com impedàncies dependents de la freqüència.

El sistema de distribució de la companyia està representat per la seva impedància i els cables de mitja tensió (MT). Aquests es modelen d'acord a la impedància dels cables de baixa tensió (BT), especialment, amb el cable que connecta al client que utilitza el soldador; per tant, es modela d'acord amb la capacitància del cable i, en aquest cas, s'omet.
Per a l'estudi de les pertorbacions de baixa freqüència (és a dir, en el rang de freqüència de 50 Hz - 2,5 kHz) aquest supòsit es pot fer sense una gran influència en l'exactitud de modelatge. El model transformador es basa en la suposició que la seva relació X / R que és constant en la gamma de freqüències estudiada, com en el grup amb vector que està essent modelat.


Font: Zone4Info

Protecció de transformadors de distribució contra sobrecàrregues

La protecció del transformador d'una sobrecàrrega i/o curtcircuit s'aconsegueix, generalment, a través de la selecció adequada del dispositiu de protecció de sobrecorrent connectat en relació secundària.

L'article 450 de NEC, dóna valors específics del dispositiu de sobrecorrent primària i secundària que no ha de superar-se. Aquests varien depenent de l'accessibilitat del transformador a persones no qualificades i també de la impedància del transformador. El dispositiu de protecció més petit que permet un corrent nominal a plena càrrega del transformador, proporciona la millor protecció contra sobretensions.

Augmentar el valor de sobrecorrent secundària més enllà d'això, de vegades pot ser necessari, donades sobrecàrregues de curta durada o per una coordinació amb dispositius aigües avall.

La protecció contra curtcircuits implica la comparació de la corba, on s'identifiquen els límits que danyen el transformador segons la norma IEEE Std. C57.109-1993 amb la característica temps-corrent primària.

En general, la corba ha d'estar a la dreta i per sobre de la característica de dispositiu de sobrecorrent primari. Una altra limitació en el dispositiu de sobrecorrent primària és que ha de ser capaç de mantenir per transitoris i restabliments de servei donats per Inrush normalment, aquest valor és de 2,5 vegades.

Si el transformador és triangle-estrella, una fallada a terra al costat secundari del transformador es traduirà en només 57,7% del corrent de defecte primari trifàsic màxim, mentre que un debanat secundari, experimenta el corrent de defecte complet.

Això s'il·lustra a la Figura 2, així com el corol·lari per transformadors delta-delta.

Figura 2

Per tant, la característica s'ha desplaçat a un 57,7% del seu valor nominal per detectar falles secundàries de línies a terra. A més, la corba desplaçada té una altra corba, més conservadora tal com es mostra; aquesta és la corba freqüent de falla i s'aplica únicament per sobrecorrents secundaris de falles entre el secundari del transformador i la protecció contra sobrecàrregues secundaria, les quals no han de ser freqüents.

Altres aspectes addicionals, com ara alarmes de sobrecàrrega tèrmica / relés i Buchholz, també estan disponibles com a protecció de transformadors. Aquests, en general, s'especifiquen amb el propi transformador i poden proporcionar una excel·lent protecció. No obstant això, encara que s'instal·lin aquests dispositius, els relés de sobrecorrent primaris i secundaris han d'estar coordinats amb el transformador, tal com es descriu anteriorment.

La protecció diferencial per transformadors és molt eficaç per a les falles internes del transformador.
Si no es proporciona protecció diferencial, és la protecció principal per falles internes i operarà abans del limitador de corrent principal. En aquest cas, el limitador de corrent principal serveix com un dispositiu de protecció de suport per falles internes.


Font: Electrical Engineering

La refrigeració és essencial per la vida d'un transformador

La refrigeració d'una màquina elèctrica és realment essencial per obtenir una llarga vida del transformador. La majoria dels transformadors estan dissenyats per treballar a temperatures de 55 o 65°C. L'ús de dielèctrics més recents, com pot ser el Nomex, permet que els transformadors operin a temperatures de 95°C i superiors. Aquestes temperatures només poden mantenir-se si les condicions de funcionament del transformador no superen les limitacions de disseny.

De vegades, amb les necessitats i restriccions en l'explotació elèctrica, es poden donar situacions en les que es treballi en valors de càrregues que superen les limitacions del propi disseny, segons constata la placa d'identificació. Aquest fet, provocta un augment de la temperatura de les bobines, de manera que les temperatures provoquen un augment de les pèrdues, com ara I 2 R.

L'augment de la temperatura juga un important efecte sobre la degradació de la qualitat de l'aïllament i disminueix dràsticament la seva esperança de vida.

Els transformadors, normalment són de ventilació, que refreda mitjançant la convecció natural de l'aire, conegut com ONAN (Figura 1); o si són forçats,  són coneguts com ONAF (Figures 2 i 3).

En els casos més extrems, es poden trobar sistemes de refrigeració mitjançant oli forçat o oli forçat sobre circuits de refredament basats en aigua, coneguts com OFAF o OFWF (Figura 7).

En cada cas, és extremadament important que la transferència de temperatura sigui adequada. El disseny del transformador es basa en una transferència de calor específic entre els debanats, l'oli i el radiador. Qualsevol augment en la generació de calor o qualsevol resultat de reducció de la transferència de calor a les temperatures més altes, dóna com a resultat una vida més curta de l'aïllament. A més, el fluid dielèctric es degrada.

Figura 1 - ONAN

Figura 2 - ONAF

El muntatge de ventiladors fa que circuli aire a través de la longitud total dels radiadors. Aquests ventiladors són de muntatge lateral i ofereixen major esperança de vida al transformador

Figura 3

La fallada típica del sistema de ventilació pot donar lloc a un augment global de temperatura del transformador, especialment si està sobrecarregat, com es pot veure a la Figura 4.

Figura 4

La Figura 5 mostra la pèrdua de refrigeració en alguns radiadors, de manera que la causa habitual està en la inclinació del transformador. Això es pot corregir, en alguns casos, augmentant el nivell d'oli del dipòsit principal a un nivell que permeti el flux d'oli a través dels radiadors.

S'ha de tenir cura de no omplir massa i crear un problema de sobrepressió a causa de l'expansió de l'oli que té lloc durant el reescalfament.

Figura 5

A la Figura 6 totes les vàlvules d'oli dels radiadors són més altes que l'oli, el qual està per sota de nivell. Això impedeix la circulació d'oli. Aquest baix nivell pot ser el resultat de fuites o errors en un manteniment a l'hora d'omplir-lo. Un últim problema que causa la mateixa conseqüència passa si les vàlvules de papallona superiors als radiadors es tanquen durant el manteniment i no es tornen a obrir per tant, impedeixen que el flux d'oli circuli. Una senzilla prova de termografia revelarà aquest problema.

Figura 6

Sistema forçat de bombament de petroli FOA / FOW (Figura 7). Cal preveure alts cabals d'oli a través de radiadors i el transformador, el qual proporciona la màxima transferència de calor.

Figura 7

El cabal de les bombes és difícil de mesurar i, normalment, s'utilitza un indicador situat a la canonada de la bomba, que indica si està ON o OFF. Aquests indicadors de flux no sempre són una protecció ja que, moltes vegades durant el manteniment, aquest mesurador pot estar obstruït, de manera que no indica veritablement la circulació del flux. Una simple prova que es pot realitzar és fer girar la bomba i mirar els indicadors per determinar si llegeixen correctament.

Els sistemes de bombeigs que creen el seu propi conjunt d'avaries d'un transformador solen ser construïdes amb poca tolerància entre els rodaments i casquets. A mesura que envelleixen, els coixinets poden causar fricció a la carcassa de la bomba (Figures 8 i 9) i això causa importants restes de llimadures de metall que, circulant per l'interior de la cuba, podrien danyar els bobinats del transformador i, finalment, provocar pèrdues d'aïllament.

Figura 8

Figura 9

La inspecció ultrasònica pot predir el desgast. De fet, és una excel·lent prova i es pot realitzar en qualsevol moment, sempre i quan la bomba estigui funcionant, com es mostra a la Figura 10.

Figura 10

Font: Electrical Engineering

Prova d'aïllament d'un transformador

Aquesta prova de rutina té com a objectiu mesurar les descàrregues parcials que es puguin produir en l'estructura d'aïllament d'un transformador.

Les descàrregues parcials (DP) són micro-arcs elèctrics que formen les sobretensions entre els elèctrodes de qualsevol àrea d’aïllament d'un transformador entre els conductors. Aquestes descàrregues poden produir-ser en les bombolles d'aire que queden en els aïllants, en les impureses dels materials sòlids o en les superfícies de dos aïlladors diferents.

Encara que aquestes descàrregues són molt petites i febles pel que respecta a l'energia tèrmica, poden causar l'envelliment, la deformació i la ruptura del material aïllant.

Les següents condicions poden ser determinades durant les mesures de descàrregues parcials:

1. Si un transformador ha sofert DP superior d'un cert valor a una tensió predefinida.
2. Definir els valors de tensió, on la descàrrega parcial comença a ser important donada la tensió aplicada i el valor en què la DP, disminueix donat el voltatge aplicat.
3. Definir la resistència a la descàrrega parcial a una tensió predefinida.

Com es produeix la descàrrega parcial i quines són les magnituds mesura?
A l'estructura que es mostra a la Figura 1 s'ha produït una descàrrega parcial en un medi aïllant. Com es veu en el diagrama simplificat, els impulsos es formen en el punt de descàrrega que provoquen una caiguda de tensió o en els terminals de línia del transformador. Això forma una càrrega mesurable "q" a la impedància.

Aquesta càrrega es diu càrrega aparent i es mesura en pC (Pico-Coulomb).
Durant els mesuraments es possible mesurar:

• Una caiguda de tensió, del seu valor mitjà basat en el corrent de descàrrega parcial aparent,
• La potència de descàrrega parcial,
• Nombre d'impulsos dins d'un interval de temps,

Figura 1

Mesura i aplicació
Les DP en les estructures del transformador es mesuren mitjançant el circuit relacionat segons IEC 60270, el qual s'explica a continuació:

Figura 2

on:

1. Font de tensió
2. Transformador d'alimentació
3. Transformador de prova
4. Transformador de tensió i el circuit de mesura
5. Filtre
6. Mesura d'impedància
7. Selector
8. Instrument de mesurament i oscil·loscopi
qo. Calibratge pel generador.

El circuit de mesurament en la Figura 2, es forma d'acord amb el mètode de Bushing-tap que estableixen els estàndards.
Abans de començar a mesurar, cal que el circuit de mesura estigui calibrat.
Per això, cal un calibrador (qo). El calibrador (qo) produeix una càrrega amb un valor predefinit el qual, està connectat al material d'assaig en paral·lel. La càrrega (qo) aplicada en el calibrador es llegeix en l'instrument de mesura. Aquests passos es repeteixen en totes les terminals del transformador previs a ser mesurats sense tensió.

K = q0 : q0m

on:
K - Factor de correcció
q0 - càrrega en el calibrador
q0m - càrrega llegida en l'instrument de mesura

Aplicació pràctica
Després de les operacions de calibratge, el generador de calibratge es retira del circuit de mesura. Quan el sistema d'alimentació està connectat (interruptor de generador d'alimentació estigui tancat), el nivell de tensió serà molt baix, únicament a nivell romanència.
Aquest valor, que es considera com el nivell de soroll base o interferència del sistema de mesurament, ha de ser menys de la meitat del nivell de descàrrega que parcialment ha d‘estar garantida.

Nivell de tensió
La tensió es va incrementar substancialment fins al nivell indicat en les especificacions, de manera que es van prenent valors mentre aquesta tensió va incrementant fins arribar al valor nominal. El període d'aplicació del voltatge, conjuntament amb els intervals de mesurament,  vindran donats en la secció de prova de tensió induïda.

Després que el transformador estigui energitzat per a les operacions de mesurament, el valor de la descàrrega parcial cal ser llegida en l'instrument de mesura de manera que aquesta serà multiplicada pel factor de correcció predefinit K, el qual permetrà trobar el valor de descàrrega parcial aparent, real per a cada terminal.

q = K • qm

on:
• qm - càrrega llegida en l'instrument de mesura m
• K - Factor de correcció
• q - càrrega aparent real

Avaluació
La prova es considera exitosa si el valor de la descàrrega parcial mesurada en els terminals del transformador és inferior als valors predefinits o valors establerts en les normes, i no s'observa cap tendència creixent durant la prova.

A més del nivell de descàrrega parcial mesurada, també han de ser considerats el següents aspectes en els transformadors:

• Les tensions inicials de DP conjuntament amb les cancel·lacions, no estan per sobre de la tensió de servei.
• Depenent del període de prova, el nivell de DP es mantingui aproximadament estable.
• L'augment de la tensió d'assaig no provoca gairebé cap canvi en el nivell de descàrregues parcials

Font: Electrical Engineering