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teoria de transformadores monofasicos
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Universidad de Costa RicaFacultad de Ingeniera
Escuela de Ingeniera Elctrica
IE 0502 Proyecto Elctrico
PRUEBAS PARA EL CLCULO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE Y DE LA
EFICIENCIA EN TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIN
Por:Jason Rodrguez Retana
Ciudad Universitaria Rodrigo FacioJulio del 2008
PRUEBAS PARA EL CLCULO DEL CIRCUITO EQUIVALENTE Y DE LA
EFICIENCIA EN TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIN
Por:Jason Rodrguez Retana
Sometido a la Escuela de Ingeniera Elctricade la Facultad de Ingeniera
de la Universidad de Costa Ricacomo requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERA ELCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________Ing. Jaime Allen F.
Profesor Gua
_________________________________ _________________________________Ing. Jose Mario Jara C. Ing. Juan R. Rodrguez S.
Profesor lector Profesor lector
DEDICATORIA
A mis padres, Zulay y Faustino, por los enormes esfuerzos hechos en estos aos para
brindarme esta oportunidad.
A mis familiares y amigos, por el apoyo y los nimos, por estar siempre a mi lado.
iii
NDICE GENERAL NDICE DE FIGURAS.................................................................................vii NDICE DE TABLAS.................................................................................viii NOMENCLATURA.......................................................................................ix RESUMEN......................................................................................................xi CAPTULO 1: Introduccin..........................................................................1 1.1 Objetivos....................................................................................................21.1.1 Objetivo general......................................................................................21.1.2 Objetivos especficos...............................................................................2 1.2 Metodologa...............................................................................................3 CAPTULO 2: Marco terico........................................................................42.1 Prdidas en el transformador...................................................................4 2.1.1 Perdidas en el cobre...............................................................................4 2.1.2 Flujos de dispersin................................................................................4 2.1.3 Histresis.................................................................................................5 2.1.4 Corrientes de eddy, foucault o parasitas..............................................82.2 Circuito equivalente del transformador real.........................................112.3 Determinacin de los parmetros del transformador real...................15 2.3.1 Prueba de circuito abierto...................................................................15 2.3.2 Prueba de cortocircuito ......................................................................172.4 Eficiencia [12]...........................................................................................202.5 Clasificacin de los transformadores de acuerdo a su funcin [4]......212.6 Equipos y herramientas utilizados en las pruebas ...............................222.7 Estndares.................................................................................................232.8 Panormica Nacional...............................................................................24 CAPTULO 3: Normativa............................................................................25
iv
3.1 Prueba de Relacin de Transformacin.................................................263.2 Prdidas en vaco y corriente de excitacin:..........................................273.3 Prdidas en cortocircuito e impedancia.................................................29 Estos valores permisibles para las prdidas cambian tanto para transformadores trifsicos, como para otro tipo de aplicaciones, como lo es la electrificacin subterrnea. Adems estn sujetos a actualizaciones. ..........................................................................................................................32 CAPTULO 4: Desarrollo en Costa Rica....................................................334.1 Laboratorio de Transformadores de la Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A.........................................................................................................344.1.1 Pruebas elctricas realizadas...............................................................354.1.2 Prueba de relacin de transformacin................................................354.1.2.1 Equipo.................................................................................................35 4.2.1.2 Procedimiento....................................................................................36 4.1.3 Medicin de Prdidas...........................................................................36 4.1.3.1 Equipo................................................................................................36 4.1.3.2 Procedimiento para la prueba de circuito abierto.........................37 4.1.3.3 Procedimiento para la prueba de cortocircuito..............................37 Coopesantos R.L. Divisin de Transformadores y Equipos de Media Tensin (DITEM)...........................................................................................38 4.2.1 Pruebas elctricas realizadas..............................................................38 4.2.2 Prueba de Relacin de Transformacin.............................................38 4.2.2.1 Procedimiento....................................................................................38 4.2.3 Medicin de Resistencia.......................................................................39 4.2.3.1 Equipo................................................................................................39 4.2.3.2 Procedimiento....................................................................................40 4.2.4 Medicin de Prdidas...........................................................................40 4.2.4.1 Equipo................................................................................................40
v
4.2.4.2 Procedimiento para la prueba de circuito abierto.........................41 4.2.4.3 Procedimiento para la prueba de cortocircuito..............................42 CAPTULO 5: Recomendaciones para la implementacin de un laboratorio de transformadores de distribucin.........................................43 5.1 Equipo de prueba de relacin de transformacin................................43 5.1.1 MEGGER TTR100..............................................................................43 5.1.2 VANGUARD INSTRUMENTS ATRT-01.........................................44 5.1.3 MEGGER TTR....................................................................................45 5.2 Equipo para medicin de resistencia.....................................................46 5.2.1 MEGGER DLRO 10............................................................................46 5.3 Equipo para medicin de perdidas en transformadores.....................48 5.3.1 HIPOTRONICS TTS7.5......................................................................48 5.3.2 HIPOTRONICS TTS155.....................................................................495.4 Recomendaciones.....................................................................................50 CAPTULO 6: Conclusiones........................................................................53 BIBLIOGRAFA...........................................................................................56 APNDICE 1[18]..........................................................................................60
vi
NDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Flujos mutuos y de dispersin. [18]..............................................4Figura 2.2 Ciclo de histresis...........................................................................6Figura 2.3 Ciclo de histresis en dos materiales diferentes. [18].................8Figura 2.4 Perdidas en ncleos magnticos. [18]...........................................9Figura 2.5 Circuito equivalente del transformador. [11]..........................14Figura 2.6 Circuito equivalente referido al primario. [11].........................14Figura 2.7 Circuito equivalente referido al secundario. [11].....................14Figura 2.8 Prueba de circuito abierto. [18]..................................................16Figura 2.9 Prueba de cortocircuito. [18]......................................................18Figura 2.10 Transformadores de distribucin tipo poste. [17]..................22Figura 4.1 Multi-Amp modelo TR-700.........................................................35Figura 4.2 HIPOTRONICS modelo TTS-25...............................................37Figura 4.3 Multi-Amp 820280.......................................................................40Figura 4.4 Multi-Amp LTS-100-E................................................................41Figura 5.1 MEGGER TTR100......................................................................43Figura 5.2 VANGUARD INSTRUMENTS ATRT-01................................44Figura 5.3 MEGGER TTR............................................................................45Figura 5.4 MEGGER DLRO 10...................................................................46Figura 5.5 AEMC 5600..................................................................................47Figura 5.6 HIPITRONICS TTS7.5...............................................................48Figura 5.7 HIPOTRONICS TTS155............................................................49
vii
NDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Caractersticas para la determinacin de prdidas de potencia. [18]...................................................................................................................10Tabla 3.1 Valores mximos de prdidas permitidos para transformadores monofsicos segn la CNFL. [3]...................................................................31Tabla 3.2 Valores mximos de prdidas permitidos para transformadores monofsicos segn el ICE. [3].......................................................................31Tabla 3.3 Valores mximos de prdidas permitidos para transformadores trifsicos subterrneos. [10]..........................................................................32Tabla 3.4 Valores mximos de prdidas permitidos para transformadores monofsicos subterrneos. [10].....................................................................33Tabla 4.1 Pruebas realizadas en el pas........................................................34
viii
NOMENCLATURA
A: Amperios.
ANSI: Instituto Nacional de Estndares Americanos (American National Standard
Institute)
ASTM: Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales (American Society for Testing
Materials)
CA: Corriente Alterna.
CC: Corriente Continua.
CNFL: Compaa Nacional de Fuerza y Luz.
DIN: Instituto Alemn de Normalizacin (Deutsches Institut fr Normung)
DITEM: Divisin de Transformadores y Equipo de Media Tensin (de Coopesantos R.L)
EIE: Escuela de Ingeniera Elctrica.
Hz: Hertz.
I: Corriente.
ICE: Instituto Costarricense de Electricidad.
IEEE: Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos (Institute of Electric and Electronic Ingineers)
IEC: Comisin Electrotcnica Internacional (Intenational Electrotechnical Comision)ISO: Organizacin Internacional de Normalizacin (International Standards Ornanization)k: Kilo(x103).
LIMAT: Laboratorio de Investigacin y Mantenimiento a Equipos de Alta Tensin.
m: Mili(x10-3)
M: Mega(x106)
ix
V: Voltios.
VA: Voltiamperios
x
RESUMEN
El presente trabajo contiene la informacin terica acerca de las pruebas realizadas
a transformadores de distribucin con el fin de obtener el circuito equivalente y la
eficiencia. Estas pruebas son utilizadas para verificar que estos dispositivos cumplan con
las especificaciones de los fabricantes, as como en la detectacin y aislamiento de fallas o
defectos, y son la base para evaluar si un transformador se encuentra en condiciones
idneas para ser incorporado en un determinado sistema elctrico.
Se destina un capitulo a la definicin y explicacin los fenmenos que causan las
perdidas de energa durante la operacin de un transformador, as como los ensayos
realizados para el clculo de estas prdidas y de los parmetros del circuito equivalente.
Adems se define el concepto de eficiencia y se brinda una clasificacin donde se
caracteriza el transformador de distribucin.
Seguidamente se puntualizan los aspectos ms relevantes de los estndares
ANSI/IEEE C57.12.90 y C7.12.91, concernientes a las pruebas en estudio.
Se contina exponiendo la informacin recopilada durante las visitas a los laboratorios de
la CNFL y el DITEM (Coopesantos R.L), enlistando los equipos y procedimientos
utilizados.
Posteriormente se brinda una serie de recomendaciones orientadas hacia la creacin
de un laboratorio de transformadores de distribucin en la Escuela de Ingeniera Elctrica.
Se finaliza con las conclusiones acumuladas durante la experiencia de la realizacin
del presente proyecto.
xi
CAPTULO 1: Introduccin
Los transformadores de distribucin son parte fundamental en el proceso de
abastecimiento elctrico del pas. Su importancia radica en que, gracias a ellos es rentable
el trasiego de energa elctrica en sistemas de corriente alterna. Este instrumento le permite
al hombre hacer uso de la electricidad para el desarrollo y mejoramiento de sus actividades.
Los transformadores son el equipo de mayor costo en la red elctrica de distribucin
y a travs de estos pasa la totalidad de energa que se trasiega a este nivel. Por lo tanto gran
parte de las prdidas de energa, y por ende econmicas (traducidas en el encarecimiento
del servicio), que se dan en el proceso de distribucin dependen de la eficiencia con la que
opere este dispositivo.
Otro aspecto a considerar es que la mayor parte de las perdidas en transformadores
se manifiestan en calor, que conduce a la degradacin de los aislamientos y disminuyendo
su vida til. Si esta situacin no es prevista, provoca que el sistema de distribucin se
vuelva susceptible a fallas.
Aqu la importancia de realizar pruebas y obtener modelos que permitan corroborar
su ptimo funcionamiento.
1
21.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo general
Realizar un estudio sobre pruebas en transformadores de distribucin que
conduzcan al clculo del circuito equivalente y la eficiencia. Esto a modo de una primera
etapa en la creacin de un futuro laboratorio de transformadores en la Escuela de Ingeniera
Elctrica.
1.1.2 Objetivos especficos
Realizar una compilacin sobre las distintas pruebas y mtodos existentes para el
clculo del circuito equivalente y la eficiencia en transformadores de distribucin.
Enlistar los equipos, software y herramientas necesarias para realizar las pruebas y
mediciones en transformadores de distribucin.
Investigar sobre normativa existente para el clculo del circuito equivalente y de la
eficiencia en transformadores de distribucin.
Brindar una perspectiva sobre las pruebas realizadas en el pas para el clculo del
circuito equivalente y la eficiencia en transformadores por parte del ICE y de la CNFL.
3 Elaborar recomendaciones para establecer un laboratorio de transformadores en la
Escuela de Ingeniara Elctrica.
1.2 Metodologa
Este trabajo se desarrolla desde dos flancos, uno consiste en la investigacin
bibliografa y en la red sobre los conceptos tericos, las posibles pruebas aplicables para el
clculo del circuito equivalente y la eficiencia en transformadores de distribucin, el equipo
y herramientas utilizadas en esta tarea y sobre la normativa que las cubre a nivel
internacional.
Un segundo aborde se realiza con las visitas a realizar en los laboratorios de la
Compaa Nacional de Fuerza y Luz y el Instituto Costarricense de Electricidad, donde con
ayuda de los ingenieros y tcnicos de las instalaciones se documentan los procedimientos
utilizados en las pruebas, el equipo y las herramientas, adems se consulta sobre las normas
aplicadas, tanto a nivel interno como los estndares internacionales que implementan. En el
desarrollo del proyecto se realizar una evaluacin sobre la concordancia de las pruebas
realizadas en estos laboratorios y los estndares estudiados.
Por ultimo se proceder a analizar la informacin obtenida en las dos etapas
anteriores con el fin de brindar recomendaciones sobre equipo, herramientas, software y
normativa, para la futura instalacin de un laboratorio de transformadores en la Escuela de
Ingeniera Elctrica de la Universidad de Costa Rica.
4CAPTULO 2: Marco terico
2.1 Prdidas en el transformador
Para entender el funcionamiento de un transformador en condiciones reales se
deben considerar los siguientes fenmenos:
2.1.1 Perdidas en el cobre
Estas son causadas por el calentamiento resistivo en los devanados primario y
segundario del transformador. Son proporcionales al cuadrado de la corriente en los
devanados y varan considerablemente con la temperatura.
2.1.2 Flujos de dispersin
No todo el flujo producido en el devanado primario del transformador enlaza
tambin el secundario. El flujo de la bonina primaria puede dividirse en dos componentes,
un flujo mutuo que permanece en el ncleo y enlaza los dos devanados del transformador, y
un en flujo disperso que atraviesa el devanado primario del transformador y cierra su
trayectoria por el aire, sin enlazar el devanado secundario. Este fenmeno ocurre tambin
con el devanado secundario.
Figura 2.1 Flujos mutuos y de dispersin. [18]
52.1.3 Histresis
Los materiales ferromagnticos presentan, a temperaturas menores que una cierta
temperatura, llamada temperatura de Curie, una estructura de dominios magnticos, que son
pequeas regiones del material dentro de las cuales existe una magnetizacin espontnea.
En ausencia de campo magntico externo, estos dominios tienen, en general,
orientaciones al azar, cancelndose macroscpicamente los efectos magnticos
microscpicos (de este modo se minimiza la energa asociada al campo magntico). En
presencia de campos magnticos externos, los dominios se orientan en la direccin del
campo aplicado y tambin cambian sus tamaos. Si se remueve el campo los dominios no
vuelven a sus estados originales, lo que da origen al fenmeno de histresis en este tipo de
materiales.
Entonces, se denomina histresis magntica al fenmeno que se produce cuando la
imantacin de los materiales ferromagnticos no solo depende del valor del flujo, si no
tambin de lo estados magnticos anteriores (historia del materia). En el caso de los
transformadores, al someter el materia magntico a un flujo variable se produce una
imantacin que se mantiene al cesar el flujo variable, lo que provoca una perdida de energa
cada medio ciclo en la reorientacin de los dominios, traducida en calor, deformacin del
material y sonido.
Ciclo de histresis:
6Figura 2.2 Ciclo de histresis.
En el punto A el material esta totalmente desmagnetizado y la corriente que circula a
travs del devanado primario es nula.
Empieza a aumentar la corriente hasta llegar al punto F a travs de la lnea punteada
de la curva de histresis. Este el punto de saturacin del ncleo ferromagntico, y
los dominios se encuentran alineado todos en la misma direccin.
Ahora se empieza a dar una disminucin en la corriente hasta llegar a un valor nulo
en el punto B. Algunos dominios permanecen alineados, dando lugar a un campo re-
manente.
Seguido, la corriente circula en la direccin contraria y va aumentando. Cuando se
llega al punto C, los dominios se encuentran totalmente desalineados y ya no haya
campo remanente, pero para esto fue necesaria la aplicacin de una fuerza coerciti-
va.
7 Sigue aumentando la corriente hasta alcanzar nuevamente la saturacin del ncleo
en el punto D. Ahora todos los dominios magnticos se encuentran alineados en la
direccin opuesta.
Es posible determinar que el rea de la curva de histresis es proporcional a poten-
cia total disipada en el ncleo en un ciclo.
La potencia perdida por histresis depende esencialmente del tipo de material y la
frecuencia., y esta se puede calcular a travs de la formula de Steinmentz:
nHH BfKP max..= (2.1.3-1)
Donde:
PH: Perdidas por histresis en W/kg.
f: Frecuencia en Hz.
Bmax: Induccin mxima en Tesla.
KH: Coeficiente de cada material. Vara entre 0.0015 y 0.003.
n: 1.6 para B 1 Tesla.
8Figura 2.3 Ciclo de histresis en dos materiales diferentes. [18]
Estas prdidas se pueden reducir en la fabricacin del transformador recurriendo al
uso de ncleos de materiales capaces de inmutarse y desimantarse fcil y rpidamente, que
tengan una figura de histresis con un rea lo mas pequea posible, tal como el hierro-
silicio. Tambin se ha comprobado que el tamao del grano del material usado influye en la
eficiencia del dispositivo, entre ms grande sea ste, menores sern las prdidas por
histresis, pero ste aumento del grano tambin afecta la resistencia mecnica del material,
dndose una disminucin en el mismo.
2.1.4 Corrientes de eddy, foucault o parasitas
Las corrientes de Foucault se producen en cualquier material conductor cuando se
encuentra sometido a variacin del flujo magntico.
Como los materiales magnticos son buenos conductores elctricos, en los ncleos
magnticos del transformador se genera una fuerza electromotriz inducida que origina
corriente de circulacin en los mismos, que se opone en todo instante a la causa que las
origina (ley de Lenz), lo que da lugar a prdidas de energa por efecto Joule.
Las prdidas por corrientes parasitas o Eddy dependen del material del que esta
construido el ncleo magntico.
Para reducir la perdida de energa, y la consiguiente prdida de potencia, es
necesario que los ncleos que estn bajo flujo variable no sean macizos, pues la resistencia
que ofrecen es mucho mas baja, provocando un incremento en tales corrientes.
Para contrarrestar este efecto, se recurre a una solucin basada en ofrecer mxima
resistencia transversal a las corrientes parasitas. Esto se consigue integrando el ncleo
9magntico mediante un conjunto de lminas delgadas de hierro, superpuestas una sobre la
otra y aisladas entre s mediante un bao de goma laca o barniz. En estas chapas se
producen el mismo efecto, pero debido a que el hierro tiene menor seccin, el valor
alcanzado por las corrientes de Foucault es sensiblemente ms reducido. En la prctica, los
transformadores se construyen con gran nmero de lminas muy delgadas de hierro silicio,
aisladas entre s y fuertemente comprimidas.
El factor de apilamiento indica el porcentaje del rea transversal del ncelo que
realmente es de material ferromagntico. Este valor oscila, por lo general, entre 0.75 y 0.95.
Figura 2.4 Perdidas en ncleos magnticos. [18]
La corriente elctrica, al no poder circular de una lmina a otra, tiene que hacerlo
independientemente por cada una de ellas, con lo que se induce menos corriente y
disminuye la potencia perdida por corrientes de Foucault.
10
Tabla 2.1 Caractersticas para la determinacin de prdidas de potencia. [18]Espesor
(mm)
Tolerancia Aleacin
%SI
1 Tesla
W/kg
1,5 Tesla
W/kg0.5 0.10 0.5 - 1 2.9 7.400.5 0.10 2.5 2.3 5.600.35 0.10 2.5 1.7 4.000.35 0.10 4.0 1.3 3.250.35 0.10 4.5 1.2 3.000.35 0.10 4.5 0.9 2.10
La tabla 2.1 indica las caractersticas de construccin, los valores magnticos y la
composicin qumica para la determinacin de las prdidas de potencia en el hierro en
funcin del espesor, la aleacin y la induccin.
Para el clculo de de las prdidas en el hierro por corrientes de Foucault, se recurre
a la siguiente formula:
nFF BfKP max
2 ..= (4.1.4-1)
Donde:
PF: Perdidas por corrientes de Foucault en W/kg.
f: Frecuencia en Hz.
Bmax: Induccin mxima en Tesla.
KF: Coeficiente de cada material. Depende de la densidad, resistividad elctrica,
grosor de las chapas y masa.
11
Las perdidas totales producidas en el ncleo se pueden calcular mediante la
siguiente ecuacin:
nmNN BfKP max..= (4.1.4-2)
Donde:
PN: Perdidas totales en el ncleo en W/kg.
f: Frecuencia en Hz.
Bmax: Induccin mxima en Tesla.
KN: Coeficiente de cada material. Varia entre 0.0001 y 0.06.
m: Vara entre 0.99 y 1.84.
n: Vara entre 1.27 y 2.60.
2.2 Circuito equivalente del transformador real
Es posible construir un circuito equivalente que tome en cuenta todas las principales
imperfecciones de los transformadores reales. Se considera cada una de estas
imperfecciones y se incluye su efecto en el modelo de transformador.
El efecto ms sencillo de evaluar son las prdidas en el cobre. stas son prdidas
resistivas en los devanados primario y secundario del ncleo del transformador; equivalen a
la colocacin de un resistor RP en el circuito primario del transformador y un resistor Rs en
el circuito secundario.
12
El flujo disperso en los devanados primarios DP produce un voltaje eDP dado por:
dt)( DPdNpteDP =
(2.2-1)
y el flujo disperso en los devanados secundarios DS produce un voltaje eDS dado por:
dt)( DS
dNsteDS =
(2.2-2)
Debido a que buena parte del recorrido del flujo disperso es a travs del aire, y ya
que el aire tiene una reluctancia constante mucho mayor que la del ncleo, el flujo DP es
directamente proporcional a la corriente en el circuito primario ip y el flujo DS es
directamente proporcional a la corriente secundaria is.
ipNpPDP = )( (2.2-3)
isNsPDS = )( (2.2-4)Donde:
P = permeancia del camino del flujo.
Np = nmero de vueltas en la bobina primaria .
Ns = nmero de vueltas en la bobina secundaria.
Las constantes en estas ecuaciones son:
dt)( PdiLte PDP = (2.2-5)
dt)( S
diLsteDS = (2.2-6)
13
Donde:
Lp = NP2P es la autoinductancia de la bobina primaria.
Ls = NS2P es la autoinductancia de la bobina secundaria.
Por lo tanto, el flujo disperso se considera como si fueran inductores primaros y
secundarios.
La corriente de magnetizacin IM es proporcional (en la regin no saturada) al
voltaje aplicado al ncleo y tiene 90 en retraso con respecto al voltaje aplicado, por lo que
se puede modelar por una reactancia XM conectada a travs de la fuente de voltaje primaria.
La corriente de prdidas en el ncleo Ih+e es una corriente proporcional al voltaje aplicado al
ncleo que est en fase con el voltaje aplicado, por lo que se puede considerar como una
resistencia RM conectada a travs de la fuente de voltaje primaria.
El circuito equivalente resultante se muestra en la figura 2.5. Ntese que los
elementos que conforman la rama de excitacin estn ubicados dentro de la resistencia
primaria RP y de la inductancia primaria LP. Esto se debe a que el voltaje que en efecto se
aplica al ncleo es en realidad igual al voltaje de entrada menos las cadas internas de
voltaje en los devanados.
Aunque la figura 2.5 es un modelo exacto de un transformador, no es muy til. Para
analizar circuitos prcticos que contienen transformadores casi siempre es necesario
14
convertir todo el circuito en uno equivalente con un solo nivel de voltaje, o sea referir el
circuito al lado de alta o de baja, lo cuan se muestra en la figura 2.6 y figura 2.7.
Figura 2.5 Circuito equivalente del transformador. [11]
Figura 2.6 Circuito equivalente referido al primario. [11]
Figura 2.7 Circuito equivalente referido al secundario. [11]
15
2.3 Determinacin de los parmetros del transformador real
Para determinar los parmetros del transformador se aprovecha el hecho, que el
transformador al operar en distintas condiciones, algunos elementos del circuito equivalente
son predominantes sobre otros.
2.3.1 Prueba de circuito abierto
Las prdidas en vaci consisten bsicamente en las que se producen en la parte del
ncleo del transformador, debido a la histresis y las corrientes parasitas, que es funcin de
la magnitud, frecuencia y la forma de onda de la tensin aplicada. Estas prdidas varan con
la temperatura y son particularmente sensibles a variaciones en la forma de onda.
Para este ensayo se desprecian las prdidas dielctricas, debido a la impedancia de
dispersin, por ser mucho menor que las de la rama de excitacin, y la prdida en el
devanado debido a la corriente de excitacin, o sea, se considera insignificante la cada de
tensin en RP y XP. La corriente de excitacin, se define como la necesaria para mantener
un flujo magntico capas de inducir una diferencia de potencial en el devanado asociado.
Esta prueba tambin permite verificar que las perdidas en el ncleo cumplan con los
valores garantizados por el fabricante del transformador, as como para probar la existencia
de una falla en la estructura del ncleo.
16
Figura 2.8 Prueba de circuito abierto. [18]
Para medir las prdidas sin carga, el devanado secundario del transformador se
alimenta con voltaje y frecuencia nominal y el primario se deja abierto o sin carga. De esta
forma la potencia medida ser la absorbida por el ncleo al no haber corriente circulando en
los bobinados.
Con un watmetro en el devanado alimentado se miden las perdidas y adems es
posible medir la corriente de excitacin y el voltaje eficaz de alimentacin, utilizando un
ampermetro y un voltmetro respectivamente.
La manera ms fcil de calcular los valores de RM y de XM consiste en estimar
primero la admitancia de la rama de excitacin. La conductancia del resistor de prdidas en
el ncleo est dada por:
MM R
G 1= (2.3.1-1)
y la susceptancia del inductor de magnetizacin est dada por:
MM X
B 1= (2.3.1-2)
Puesto que los dos elementos estn en paralelo, se suman sus admitancias y la
admitancia de excitacin total es:
17
MMMMM X
jR
jBGY 11 == (2.3.1-3)
La magnitud de la admitancia de excitacin puede calcularse con en el tensin y
corriente de la prueba de circuito abierto:
CA
CAM V
IY = (2.3.1-4)
El ngulo de admitancia se puede calcular con base en el factor de potencia del
circuito, que esta dado por:
CACA
CA
IVP
FP == cos (2.3.1-5)
y el ngulo del factor de potencia est dado por:
CACA
CA
IVP1cos= (2.3.1-6)
El factor de potencia siempre est en retraso en un transformador real, por lo que el
ngulo de la corriente siempre est en retraso con respecto al ngulo de voltaje en
grados. Por lo tanto, la admitancia YM es:
FPVI
VI
YCA
CA
CA
CAM
1cos== (2.3.1-7)
Comparando la ecuacin 2.3.1-3 y la ecuacin 2.3.1-7 es posible determinar los valores de
RC y XM.
2.3.2 Prueba de cortocircuito
La otra parte de las prdidas de potencia se producen en los conductores de los
bobinados primario y secundario, debido a las llamadas prdida I2R que se dan en el cobre,
18
sumadas a las provocadas por los flujos de dispersin en los devanados, en las uniones del
ncleo, en las paredes del tanque, etc.
Cuando un transformador opera en condiciones nominales, la corriente de
excitacin es pequea (entre un 2% y un 4% de corriente nominal). Si uno de los bobinados
se pone en cortocircuito, se requiere solo un pequeo voltaje (del 2% al 12% del voltaje
nominal) para obtener las corrientes nominales en los bobinados, debido a que dichas
corrientes son limitadas por las impedancias de dispersin. Entonces, bajo estas
condiciones, la corriente de magnetizacin, la densidad de flujo en el ncleo y sus
consecuentes prdidas, son aun ms pequeas que sus valores bajo condiciones nominales y
por lo tanto despreciables en este ensayo
Figura 2.9 Prueba de cortocircuito. [18]
Esta prueba se efecta colocando el devana secundario en cortocircuito y
alimentando el primario con una tensin regulable, partiendo desde cero y aumentando
hasta alcanzar la corriente nominal en el mismo. En este punto se toman las medidas de
tensin, corriente y potencia consumidas en el devanado primario.
La impedancia del transformador se define como la tencin requerida para hacer
circular la corriente nominal a travs de un devanado, mientras el otro se encuentra en
19
cortocircuito. Esta por lo general se expresa en p.u. o en un porcentaje del devanado a
travs del cual el porcentaje es aplicado y medido.
La magnitud de las impedancias en serie referidas al lado primario del transformador es:
CC
CCaltaeq I
VZ =
(2.3.2-1)
El factor de potencia se da por:
CCCC
CC
IVP
FP == cos (2.3.2-2)
y est retardado. As el ngulo de corriente es negativo, y el ngulo de impedancia
positivo:
CCCC
CC
IVP1cos= (2.3.2-3)
Entonces:
=
CC
CCaltaeq I
VZ (2.3.2-4)
La impedancia serie Zeq-alta es igual a:
)()( 22 SPSP
altaeqaltaeqaltaeq
XaXjRaR
jXRZ
+++
=+=
(2.3.2-5)
Es posible determinar la impedancia serie total, referida al lado primario, usando
esta tcnica, pero no hay una manera fcil de dividir la impedancia serie entre componentes
primario y secundario
20
Es conveniente que la diferencia de temperatura en los devanados antes y despus
de la prueba no exceda los 5 oC, ya que las prdidas resistivas son sensibles a los cambios
de temperatura.
Este mismo ensayo tambin puede realizarse en el lado secundario del
transformador, si se piensa que es ms conveniente, bien por los niveles de voltaje o por
cualquier otra razn. Si el ensayo se hace en el lado secundario, los resultados, darn las
impedancias del circuito equivalente referidas al lado secundario del transformador y no al
primario. Tambin hay que considerar que en esta configuracin se requiere un
dimensionamiento mayor de los equipos de medicin.
La medicin de la impedancia del transformador determina si dos a ms
transformadores pueden o no conectarse en paralelo. Para conectar dos o ms
transformadores en paralelo, es necesario que tengan impedancia, capacidad nominal y
frecuencia similares.
2.4 Eficiencia [12]
La eficiencia es un criterio usualmente utilizado en la comparacin de mquinas
elctricas. La eficiencia se define como la razn entre la potencia de salida y la potencia de
entrada. En el caso de un transformador, la eficiencia se especifica para un determinado
factor de potencia y se calcula como:
perdidassalida
salida
entrada
salida
PPP
PP
+== (2.4-1)
eddyhistbajaeqSSS
SS
PRIIVIV
++= 2cos
cos
(2.4-2)
21
2.5 Clasificacin de los transformadores de acuerdo a su funcin [4]
Trasformadores de potencia
Este tipo de transformadores estn destinados a trasformar potencia de mas de
500kVA, esta maquina se alimenta por tensin y frecuencias fijas.
Trasformadores de comunicacin
Estos transformadores se disean para que puedan operar con tensiones y
frecuencias variables.
Transformadores de instrumentacin
Esta es una aplicacin de los transformadores que facilita la conexin adecuada de
dispositivos de medicin y proteccin.
Transformadores de distribucin
Estos operan a tenciones relativamente bajas, que generalmente no superan los
500kVA. Estos pueden ser transformadores tanto monofsicos, como trifsicos.
22
Figura 2.10 Transformadores de distribucin tipo poste. [17]
2.6 Equipos y herramientas utilizados en las pruebas
Los ampermetros, voltmetros y watmetros utilizados en las pruebas de
cortocircuito y circuito abierto deben ser escogidos de tal manera que puedan operar
adecuadamente en los rangos de tensin y corriente que demandan dichas pruebas,
caracterstica que depende directamente de la potencia y tensin nominal del transformador
que se desee analizar. En el caso de distribucin, los valores mximos a medir
corresponden a 500KVA, 19,9kV y 62.74A, por lo tanto los equipos deben ser capaces de
manejar valores superiores a estos.
23
Adems deben contar con una tolerancia adecuada, dependiendo del nivel de
exactitud deseado y tomando en consideracin lo estipulado por la normativa empleada, y
contar con despliegue de datos del tipo digital, esto ultimo para eliminar la incertidumbre
introducida debido a las lecturas de dispositivos analgicos por parte de los operadores.
En general en la aplicacin de estas pruebas no es necesaria la utilizacin de
software, a menos de que se desee obtener algn tipo de documentacin o grficas.
El resto del equipo a utilizar consiste en llaves de tuercas para realizar las conexiones y un
puente que brinde una impedancia despreciable en la prueba de cortocircuito.
2.7 Estndares
En el mbito internacional las normativas ms aplicadas en este tipo de pruebas son
los estndares IEC, ANSI y DIN, conformando la siguiente lista:
ANSI/IEEE C57.12.90 1999. IEEE Standard Test Code for Liquid-Immersed
Distribution, Power and Regulating Transformers
ANSI/IEEE C57.12.91 1995. IEEE Standard Test Code for Dry-Type
Distribution and Power Transformers
IEC 76-1 Power Transformers. General
24
IEC 60-1 High-Voltage Test Techniques
DIN 42 500 Oil-Immersed Three-Phase Distribution Transformers 50-2500kVA
DIN 42 523Three-Phase Dry-Type Transformers 100-2500kVA
En el mbito nacional la tanto la Compaa Nacional de Fuerza y Luz, como El
Instituto Costarricense de Electricidad dictan normativas internas para las pruebas
realizadas a sus equipos, las cuales se basan principalmente en la norma ANSI/IEEE
C57.12.90 1999.
2.8 Panormica Nacional
A nivel de distribucin el pas cuenta con dos laboratorios especializados: uno
perteneciente a la Compaa Nacional de Fuerza y Luz ubicado en el plantel de los Anonos
y segundo laboratorio por parte de Coopesantos R.L. ubicado en San Marcos de Tarraz.
En ambos laboratorios de realizan pruebas de:
Tensin aplicada.
Relacin de transformacin.
Perdidas en vaci.
Perdidas en corto circuito.
Resistencia elctrica del aislamiento.
Tensin Nominal.
25
El trabajo en estos laboratorios no solo se limita a estas pruebas, se amplia a
trabajos de reparacin, mantenimiento preventivo, lavado, secado, pintado, etc.
Ambos laboratorios tienen la capacidad para analizar en su totalidad los transformadores
correspondientes al nivel de distribucin monofsico, pero se ven limitados para realizar
pruebas de cortocircuito y circuito abierto en dispositivos trifsicos debido a la falta de
equipo adecuado.
CAPTULO 3: Normativa
Como se menciono anteriormente, existe una amplia lista de posibles normas
aplicables en las pruebas realizadas a transformadores de distribucin. En nuestro pas la
CNFL, el ICE y el resto de pequeos operadores del sistema elctrico de distribucin,
especifican las pruebas realizadas a transformadores bajo estndares ANSI/IEEE, por tal
motivo estas sern el objeto de estudio en el presente capitulo.
26
A pesar de que de estas normas se encuentran especificadas independientemente para las
pruebas realizadas en transformadores sumergidos en aceite y transformadores tipo seco
(C57.12.90 y C57.12.91 respectivamente), estas coinciden en la prueba de cortocircuito,
prueba de vaci, medicin de resistencia y delacin de transformacin, siendo ambos
estndares idnticos en estos apartados.
Los siguientes son puntos importantes a recalcar de los respectivos apartados.
3.1 Prueba de Relacin de Transformacin
En la seccin 7.1 de la norma C57.12. 90 se define la relacin de transformacin
como la relacin entre el nmero de vueltas en el devanado de alta tensin con
respecto al nmero de vueltas en el devanado de baja tensin. Por lo tanto el
propsito de la prueba es verificar que el transformador tenga el nmero correcto de
vueltas en cada devanado.
A su vez se indica en la seccin 7.1.1 que si el transformador tiene cambiadores de
tensin, la prueba de relacin de transformacin se debe aplicar para cada una de las
posiciones del cambiador de derivaciones. Los resultados obtenidos en esta prueba
tienen un mbito de tolerancia del 0.5%.
La norma establece tres mtodos para realizar el ensayo de relacin de
transformacin. Un mtodo consiste en la aplicacin de una tensin conocida al
27
devanado de mayor tensin y usando voltmetros y transformadores de tensin
adecuados se toma medida de las tensiones en los otros devanados.
Un segundo mtodo consiste en comparar el transformador con un transformador
normalizado calibrado. El transformador bajo prueba y el transformador
normalizado se conectan en paralelo aplicando tensin a sus devanados de alta
tensin; los devanados de baja tensin, en paralelo, se conectan a un detector
sensible al que se obliga a sealar cero ajustando la relacin de transformacin del
transformador normalizado. La relacin de transformacin ajustada del
transformador normalizado es entonces igual a la relacin de transformacin del
transformador que se est ensayando.
En el tercer mtodo se emplea un potencimetro conectado a los devanados del
transformador, que estn conectados en serie como un autotransformador. Se
conecta un detector adecuado desde la unin de los dos devanados al potencimetro.
Cuando el detector muestra un desvo cero, la relacin de resistencias proporciona
la relacin de espiras del transformador.
3.2 Prdidas en vaco y corriente de excitacin:
La norma C57.12.90 en su apartado 8.1 se refiere a ests prdidas de manera
general. Adems define la corriente de excitacin como la que fluye a travs de
cualquier devanado que sea utilizado para excitar el transformador mientras los
28
dems devanados estn formando un circuito abierto. Esta prueba tiene como fin
determinar la corriente en vaco, la potencia y el factor de potencia.
Las prdidas en vaco comprenden prdidas en el ncleo, prdidas dielctricas,
prdidas en los devanados causadas por la corriente de excitacin y prdidas en el
conductor debido a corrientes circulantes en los devanados en paralelo
Las prdidas en vaco consisten bsicamente en las que se producen en la parte de
ncleo del transformador, que es funcin de la magnitud, frecuencia y la forma de
onda de la tensin aplicada. Estas prdidas varan con la temperatura y son
particularmente sensibles a variaciones en la forma de onda.
La seccin 8.2 indica que el propsito de esta prueba es medir las prdidas sin carga
para una tensin y una frecuencia determinada. Los valores medidos de esta prueba
deben ser valores rms.
De acuerdo con la seccin 8.2.3 cualquiera de los devanados puede estar
energizado, sin embargo se recomienda realizar esta prueba utilizando el lado de
baja tensin. En cualquier caso la prueba se debe aplicar al devanado completo, si
por alguna razn inusual solo se puede energizar una porcin del devanado, esta no
debe ser menor al 25% del devanado total.
Con respecto a las precauciones que se deben tener con la tensin y la frecuencia, la
seccin 8.2.4 indica que esta prueba se realiza a tensin nominal, utilizando un
fuente de voltaje a la misma frecuencia a la que el transformador bajo prueba esta
diseado para trabajar, con una tolerancia de 0.5%.
29
3.3 Prdidas en cortocircuito e impedancia
La prueba de corto circuito se efecta poniendo uno de los dos bobinados con corto
circuito, alimentando el otro con una tensin regulable desde cero, hasta alcanzar el
valor de la corriente nominal del bobinado mismo.
La seccin 9.1 de la norma C57.12.90 se encarga de describir las prdidas con carga
del transformador, indicando que estas inciden en la carga especfica que est
soportando el transformador.
Estas prdidas pueden ser calculadas cortocircuitando los devanados, ya sea del lado
de alta tensin o el de baja tensin y aplicando suficiente tensin a travs de los
devanados de manera que circule la corriente nominal especificada. La potencia
resultante equivale a las prdidas del transformador a la temperatura que se realice
la prueba.
Dada la baja tensin aplicada, del orden del 4 al 10% de la tensin nominal del
bobinado donde se efecta la alimentacin; la corriente de magnetizacin, el flujo
en el ncleo y las consecuentes prdidas no se deben considerar.
La impedancia del transformador se define como el voltaje requerido para hacer
circular la corriente nominal a travs de un devanado mientras el otro devanado est
cortocircuitado. Esta por lo general es expresada en p.u. o en porcentaje del
devanado a travs del cual el voltaje es aplicado y medido. Esta impedancia
comprende una componente reactiva y componente resistiva. Esta ltima
30
corresponde a las prdidas en cortocircuito y la componente reactiva corresponde al
flujo disperso de los devanados.
La impedancia del transformador es medida durante la prueba de cortocircuito,
midiendo el voltaje requerido para hacer circular corriente en los devanados. La
medida del voltaje corresponde a la impedancia a la temperatura de la prueba y la
potencia disipada en el transformador a dicha temperatura.
La seccin 9.2 establece los factores que afectan el valor de las prdidas con carga y
la impedancia del transformador. Uno de ellos es la posicin en la que se encuentre
el cambiador de derivaciones. Tambin se consideran otros factores relacionados
con el diseo, como por ejemplo; el material, las dimensiones del conductor, el
diseo de los devanados, etc.
Los dispositivos que se utilicen para efectuar esta prueba deben de tener una
precisin de 3%.
En el punto 9.2.3 se detalla que las prdidas en cortocircuito son funcin de la
temperatura, ya que al aumentar la temperatura aumentan las prdidas.
De acuerdo con lo que establece el punto 9.2.4 se pueden obtener bajos factores de
potencia al realizar esta prueba, por lo tanto se debe tener cuidado al momento de
elegir el mtodo para realizar esta prueba. Debido al desfase que puedan presentar
los instrumentos utilizados.
31
Adicional a estas normativas, los laboratorios cuentan con tablas que les proporcionan los
valores mximos permitidos en ambas pruebas y las cuales son la base para la aprobacin o
rechazo de un transformador.
Tabla 3.1 Valores mximos de prdidas permitidos para transformadores
monofsicos segn la CNFL. [3]
Capacidad
(kVA)
Prdidas al
vaci
(W)
Prdidas
con carga
(W)
Prdidas
totales
(W)
Eficiencia
%
10 34 136 170 98.3315 45 180 225 98.5225 65 260 325 98.72
37.5 90 360 450 98.8150 110 440 550 98.9175 150 600 750 99.01100 200 800 1000 99.01167 301 1202 1503 99.11250 400 1600 2000 99.21333 533 2131 2664 99.21500 700 2800 3500 99.30667 800 3202 4002 99.40833 960 3840 4800 99.43
Tabla 3.2 Valores mximos de prdidas permitidos para transformadores monofsicos segn el ICE. [3]
Capacidad
(kVA)
Prdidas al
vaci
(W)
Prdidas
con carga
(W)
Prdidas
totales
(W)
Eficiencia
%
10 60 105 165 98,3815 75 150 225 98,5225 90 185 275 98,91
37.5 125 265 390 98,9750 150 350 500 99,0175 190 610 800 98,94100 225 725 950 99,06
32
Estos valores permisibles para las prdidas cambian tanto para transformadores trifsicos,
como para otro tipo de aplicaciones, como lo es la electrificacin subterrnea. Adems
estn sujetos a actualizaciones.
Tabla 3.3 Valores mximos de prdidas permitidos para transformadores trifsicos subterrneos. [10]
Capacidad
(kVA)
Prdidas al
vaci
(W)
Prdidas
con carga
(W)
Prdidas
totales
(W)75 245 1000 1250
112.5 345 1350 1695150 430 1625 2055225 525 2450 2975300 710 3200 3910500 1025 5000 6025750 1310 6800 81101000 1650 9500 111501500 2150 12500 146502000 2450 14500 169502500 300 18000 21000
33
Tabla 3.4 Valores mximos de prdidas permitidos para transformadores monofsicos subterrneos. [10]
Capacidad
(kVA)
Prdidas al
vaci
(W)
Prdidas
con carga
(W)
Prdidas
totales
(W)25 90 300 39050 150 510 66075 200 710 910100 270 950 1220167 395 1450 1845250 500 2050 2550333 600 3000 3600500 810 3800 4610
CAPTULO 4: Desarrollo en Costa Rica
Aparte de los dos laboratorios especializados en transformadores de distribucin
mencionados anteriormente, en el pas existe un tercer laboratorio por parte del ICE, el
Laboratorio de Investigacin y Mantenimiento a Equipos de Alta Tensin (LIMAT) el cual
cuenta con dos plantas de operacin, una ubicada en Ro Macho, Paraso de Cartago y otra
en la el plantel del ICE en Colima de Tibs, San Jos. Este es el nico laboratorio a nivel
nacional que cuenta con el equipo necesario para realizar pruebas de cortocircuito y
pruebas de vaci en transformadores, pero se encuentra especializado en transformadores
de potencia.
Por otro lado, los dos laboratorios especializados en transformadores de distribucin,
poseen la gran limitante de no contar con el equipo necesario para realizar pruebas de
cortocircuito y pruebas de vaci a transformadores trifsicos, sin embargo se realiza otro
tipo de pruebas y trabajos en estos equipos.
34
Tambin cabe destacar que en ambos laboratorios se afirma que los procedimientos se
desarrollan dentro de lo establecido por las normas ANSI/IEEE correspondientes.
Tabla 4.1 Pruebas realizadas en el pas.PRUEBA Laboratorio CNFL Coopesantos-DITEM ICE-LIMAT
Medicin de Resistencia
SI SI SI
Polaridad y Fase
SI SI SI
Relacin de Transformacin
SI SI SI
Perdidas en Vaci
Solo transformadores monofsicos
Solo transformadores monofsicos
Transformadores trifsicos, hasta
45MVA (nicos en Centroamrica)
Aislamiento SI SI SICortocircuito Solo transformadores
monofsicosSolo transformadores
monofsicosTransformadores trifsicos, hasta
45MVA (nicos en Centroamrica
Emisiones Sonoras.
NO NO SI
Tensin Aplicada
SI SI SI
4.1 Laboratorio de Transformadores de la Compaa Nacional de
Fuerza y Luz S.A.
35
4.1.1 Pruebas elctricas realizadas
Prueba de tensin aplicada.
Prueba de relacin de
transformacin.
Prueba de prdidas en vaci.
Prueba de cortocircuito.
Prueba de resistencia elctrica del
aislamiento.
Prueba de tensin nominal.
Llave LBOR.
Pruebas a pararrayos.
4.1.2 Prueba de relacin de transformacin
4.1.2.1 Equipo
Multi-Amp modelo TR-700: Consiste en un verificador de la relacin de
transformacin. Cuenta con un conmutador para encender y apagar el equipo que a
la vez funciona como interruptor de accin rpida cuya funcin es proteger el
instrumento al auto-desenergizarse. Tambin posee un selector de voltaje de prueba,
sirve para aplicar un voltaje de 12 V o 120 V al transformador bajo prueba.
Figura 4.1 Multi-Amp modelo TR-700
36
4.2.1.2 Procedimiento
Se conectan los electrodos primarios del equipo a los bornes primarios del
transformador y los electrodos secundarios del equipo a los bornes secundarios del
transformador.
Seguido se colocan las perillas en los valores correspondientes a la relacin de
transformacin del transformador.
Por ultimo se realiza una medicin en cada posicin del conmutador tap.
4.1.3 Medicin de Prdidas
4.1.3.1 Equipo
HIPOTRONICS modelo TTS-25: Este equipo es utilizado para la medicin de
prdidas tanto en vaco como en cortocircuito y cuenta con la capacidad necesaria
para maniobrar con transformadores de 500kVA monofsicos, como mximo
Tambin brinda datos como: corriente de excitacin, corriente de plena carga,
impedancia, eficiencia, relacin de transformacin y polaridad.
37
Figura 4.2 HIPOTRONICS modelo TTS-25.
1. Medidor Yokogawa.
2. Indicador de temperatura.
3. Interruptor de sobre carga.
4. Conexin secundaria de sobre carga.
5. Temporizador.
6. Selector de rango de corriente.
7. Control de voltaje.
8. Control de alto voltaje.
9. Control de encendido.
10. Cambiador de derivaciones.
11. Disyuntor de emergencia.
12. Selector de modo de prueba.
13. Selector de relacin de
transformacin.
4.1.3.2 Procedimiento para la prueba de circuito abierto
Se colocan los cables de prueba del equipo en los bornes secundarios del
transformador.
El devanado primario permanece abierto.
Se aplica la tensin nominal al devanado secundario.
Por ultimo se toman medidas de tensin aplicada, corriente de excitacin y potencia
de prdidas.
4.1.3.3 Procedimiento para la prueba de cortocircuito
Se colocan los cables de prueba del equipo en los bornes primarios del
transformador.
Los bornes secundarios del transformador se conectan en cortocircuito mediante un
conductor que brinde una baja resistencia y pueda soportar la corriente nominal
secundaria del transformador.
38
Iniciando desde cero, se aumenta la tensin aplicada en el devanado primario, hasta
lograr que a travs de este circule la corriente nominal.
Finalmente se procede a tomar medidas de tensin de cortocircuito, corriente
aplicada y potencia de prdidas
4.2 Coopesantos R.L. Divisin de Transformadores y Equipos de
Media Tensin (DITEM)
4.2.1 Pruebas elctricas realizadas
Prueba de tensin aplicada.
Prueba de relacin de
transformacin.
Prueba de prdidas en vaci.
Prueba de cortocircuito.
Prueba de resistencia elctrica del
aislamiento.
Prueba de factor de potencia.
Prueba de resistencia de contactos.
4.2.2 Prueba de Relacin de Transformacin
4.2.2.1 Procedimiento
39
Se conectan los electrodos primarios del equipo a los bornes primarios del
transformador y los electrodos secundarios del equipo a los bornes secundarios del
transformador.
Se colocan las perillas en los valores correspondientes a la relacin de
transformacin del transformador.
Se realiza una medicin en cada posicin del conmutador tap.
4.2.3 Medicin de Resistencia
4.2.3.1 Equipo
MULTI-AMP modelo 820280: Este es un equipo utilizado en la medicin precisa
de valores pequeos de resistencia, operando mediante el mtodo del Puente Kelvin,
el cual utiliza cuatro terminales de prueba. En el DIMETEM es utilizado para
detectar fallas en contactos, pero tambin puede ser usado para medir directamente
la resistencia de los devanados y calcular las perdidas hmicas que se dan en los
mismos. La ventaja de este mtodo es que elimina el error introducido por los
terminales de medicin.
40
Figura 4.3 Multi-Amp 820280.
4.2.3.2 Procedimiento
Se coloca un terminal de tensin de prueba y un terminal de corriente de prueba, en
cada uno de los bornes del devanado a evaluar.
Mediante los selectores es escogen los rangos apropiados de operacin.
Finalmente se activa el equipo y se obtiene la medicin.
Durante el ensayo no se deben de mover los terminales de prueba, ni permitir que
ningn otro objeto o persona realice contacto con estos.
4.2.4 Medicin de Prdidas
4.2.4.1 Equipo
MULTI-AMP modelo LTS-100-E: Este equipo es utilizado para la medicin de
prdidas tanto en vaco como en cortocircuito y cuenta con la capacidad necesaria
para maniobrar con transformadores de 100kVA monofsicos, como mximo
Tambin brinda datos como: corriente de excitacin, corriente de plena carga.
41
Figura 4.4 Multi-Amp LTS-100-E.
1. Indicador de tensin.
2. Indicador de corriente.
3. Indicador de potencia.
4. Indicador de temperatura.
5. Botn encendido.
6. Botn apagado.
7. Control de tensin aplicada.
8. Selector rango de tensin.
9. Selector rango de temparatura.
4.2.4.2 Procedimiento para la prueba de circuito abierto
Se colocan los cables de prueba del equipo en los bornes secundarios del
transformador.
El devanado primario permanece abierto.
Se aplica la tensin nominal al devanado secundario.
42
Por ultimo se toman medidas de tensin aplicada, corriente de excitacin y potencia
de prdidas.
4.2.4.3 Procedimiento para la prueba de cortocircuito
Se colocan los cables de prueba del equipo en los bornes primarios del
transformador.
Los bornes secundarios del transformador se conectan en cortocircuito mediante un
conductor que brinde una baja resistencia y pueda soportar la corriente nominal
secundaria del transformador.
Iniciando desde cero, se aumenta la tensin aplicada en el devanado primario, hasta
lograr que a travs de este circule la corriente nominal.
Finalmente se procede a tomar medidas de tensin de cortocircuito, corriente
aplicada y potencia de prdidas
43
CAPTULO 5: Recomendaciones para la implementacin de un
laboratorio de transformadores de distribucin
A continuacin se presenta una lista de posibles equipos a utilizar en un laboratorio
de transformadores de distribucin, los cumplen con las especificaciones de tolerancia
indicadas por la normativa ANSI/IEEE
5.1 Equipo de prueba de relacin de transformacin.
5.1.1 MEGGER TTR100
Figura 5.1 MEGGER TTR100.
Monofsico.
Totalmente automtico, fcil de usar, porttil.
Funciona a batera, con funcin de economa y apagado de seguridad.
Verifica relacin de transformacin, desplazamiento de fase, corriente de
excitacin, acoplamiento, resistencia del devanado y polaridad.
RS232 para transferencia e impresin de datos.
44
Almacena 200 resultados de pruebas y 100 ajustes para pruebas de transformadores
definidos por el usuario.
Seis idiomas seleccionables por el usuario.
Exactitud de la Relacin de espiras:
0,1% (0,8 a 2000)
0,15% (2001 a 4000)
0,20% (4001 a 10000)
0,25% (10001 a 20000)
5.1.2 VANGUARD INSTRUMENTS ATRT-01
Figura 5.2 VANGUARD INSTRUMENTS ATRT-01.
Monofsico
Precisin: 0.8 - 1999: 0.1 %, 2000 - 3999: 0.25 %, 4000 - 15000: 1 %
Calibracin Propia: no es necesaria calibracin del operador.
45
5.1.3 MEGGER TTR
Figura 5.3 MEGGER TTR.
Operacin totalmente automtica.
Mide tres fases simultneamente.
Medida de las relaciones ms altas (10.000:1) con la mayor precisin (0.1%).
Sistemas incorporados de almacenamiento y descarga.
46
5.2 Equipo para medicin de resistencia
5.2.1 MEGGER DLRO 10
Figura 5.4 MEGGER DLRO 10.
Resultados en menos de 3 segundos con una precisin bsica del 0,2 %.
Ligero, porttil y fcil de usar.
Resistencia al agua de nivel IP54.
Medida de 4 cables que cancela la resistencia de los conductores.
Inversin automtica de corriente para cancelar fuerzas electromotrices
permanentes.
47
5.2.2 AEMC 5600
Figura 5.5 AEMC 5600.
Cuatro terminales Kelvin para medicin de resistencia.
Corriente de prueba de 10A
0.25% de tolerancia.
1m de resolucin.
Seis rangos seleccionables de operacin.
Proteccin contra sobrecarga.
48
5.3 Equipo para medicin de perdidas en transformadores
5.3.1 HIPOTRONICS TTS7.5
Figura 5.6 HIPITRONICS TTS7.5
Monofsico.
Voltmetro:
Rango: 0-199.9V ac, 0-1999V ac
Tolerancia: 0.5%
Ampermetro:
Rango: 0-1.999A ac, 0-19.99A ac, 0-199.9A ac.
Tolerancia: 0.5%
Watmetro:
Rango: 0-199.9W, 0-1999W, 0-19.99kW
49
Tolerancia: 0.5%
Termmetro:
Rango: 0-100oC
Tolerancia: 1 oC
5.3.2 HIPOTRONICS TTS155
Figura 5.7 HIPOTRONICS TTS155
Trifsico.
Voltmetro
Rango: 0-300V ac, 0-600V ac, 0-1200V ac, 0-2400V ac
Tolerancia: 1%
Ampermetro:
Rango: 0-19.99A ac., 0-199.9A ac, 0-1999A ac
50
Tolerancia: 1%
Watmetro
Rango: 0-199.9W, 0-1999W, 0-19.99kW, 0-199.9kW
Tolerancia: 1%
Termmetro
Rango: 0-100oC
Tolerancia: 1 oC
5.4 Recomendaciones
1) Con respecto al tema de seguridad no se encontr alguna normativa o
documentacin que dicte las precauciones necesarias a seguir durante la realizacin de las
pruebas. Se observo en las visitas a los laboratorios que la principal medida de seguridad
empleada, consiste en la implementacin de una compuerta que asla la zona donde se
encuentra energizado el transformador de la zona donde de encuentra realizando las
mediciones el operador, durante las pruebas de cortocircuito y vaci. La compuerta cuenta
con un dispositivo tipo micro-switch, que solo permite la energizacion del equipo cuando
esta se encuentra cerrada, asegurando as la integridad del operador. Para las pruebas de
relacin de transformacin y medicin de resistencia, no se toma ninguna medida de
seguridad, ya que estas se realizan a niveles de tensin muy bajos, que no representan
peligro alguno.
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2) Los principales puntos que se deben evaluar en el escogencia de un equipo de
prueba, son la capacidad de tensin y corriente que permiten manipular, la frecuencia de
operacin, exactitud o tolerancia en las mediciones realizadas, numero de fases,
multifuncionalidad, as como las dimensiones fsicas, ya que algunos son equipos
voluminosos que pueden no adecuarse al espacio disponible.
3) Dadas las limitaciones de los laboratorios especializados en transformadores de
distribucin en el pas, la adquisicin de un equipo que permita realizar las pruebas de
cortocircuito y circuito abierto a transformadores trifsicos, apunta a ser la opcin mas
adecuada.
4) Tambin, al tratarse de un laboratorio universitario, el trabajo debera no solo
limitarse al diagnostico de transformadores, si no orientarse hacia la investigacin en
materiales y arquitecturas que mejoren el desempeo de estos dispositivos.
5) La utilizacin de algn software representara simplemente un valor agregado en la
elaboracin de tareas como documentacin o graficacin de resultados, pero no son una
herramienta necesaria, ni comn en la ejecucin de los ensayos en estudio.
6) Adicionalmente es necesario tener a disposicin herramientas bsicas como llaves
de tuercas, desatornilladores, alicates y peladoras. Adems se debe contar con medios para
la movilizacin de los transformadores como perras, montacargas y gras, dependiendo
de las dimensiones y peso de los equipos con los que se ese trabajando.
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7) La norma INTE-ISO/IEC 1705:2005 Requisitos generales para la competencia los
laboratorios de ensayos y calibracin amerita un anlisis durante el proceso de
planificacin e implementacin de un laboratorio de transformadores de distribucin, ya
que contiene los requisitos que deben cumplir este tipo de entes para determinar si son
tcnicamente competentes y a su vez capaces de generar resultados tcnicamente vlidos.
El cumplimiento de estas directrices conduce a que el laboratorio pueda optar por la
acreditacin internacional ISO/IEC 7025.
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CAPTULO 6: Conclusiones
1) El clculo del circuito equivalente y la eficiencia en transformadores de distribucin
se realiza nicamente mediante la prueba de relacin de transformacin, prueba de circuito
abierto y prueba de cortocircuito, ya conocidas. El nico ensayo alternativo que se puede
realizar en este sentido, es el clculo directo de la resistencia de los bobinados mediante el
mtodo del puente kelvin, lo cual permite tener un circuito equivalente mas acertado, pero
que no hace diferencia alguna en el clculo de la eficiencia.
2) La tarea principal de los laboratorios de transformadores de distribucin nacionales
consiste en la medicin de la eficiencia, para decidir si el equipo es apto para ser colocado
en el sistema elctrico, basados en la normativa que extiende la Compaa Nacional de
Fuerza luz y el Instituto Costarricense de Electricidad., tarea para la cual no es necesaria la
obtencin del circuito equivalente del dispositivo. Estos laboratorios no realizan
investigacin o estudios sobre como mejorar el desempeo de estos equipos, si no
simplemente se limitan a al diagnstico.
3) En general la eficiencia de un transformador es muy alta (superior al 95%)
comparada con otro tipo de maquinas elctricas, como motores. Y las exigencias con
respecto a este rubro aumentan conforme la potencia del transformador es mayor, siendo de
este modo, los transformadores de potencia los que deben operar a eficiencias superiores al
resto.
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4) La magnitud de las prdidas en un transformador en un parmetro relativo a la
forma de onda, frecuencia, temperatura y tensin de operacin del dispositivo.
5) Durante la visita a los laboratorios se pudo valorar, que a pesar de que los
parmetros de frecuencia y temperatura repercuten considerablemente en el clculo de las
prdidas durante los ensayos de cortocircuito y circuito abierto, estos no son valores que se
monitoreen durante la ejecucin de las pruebas, pudiendo convertirse en fuente no
percibidle de errores.
6) Las pruebas de relacin de transformacin, resistencia de los devanados,
cortocircuito y vaci se aplican de igual forma en transformadores inmersos en aceite y tipo
seco, siendo las normativas respectivas coincidentes en estos apartados. Cabe destacar que
existe una evidente complicacin en el monitore de la temperatura de los devanados en los
transformadores sumergidos en aceite durante la ejecucin de los ensayos, motivo por el
cual muchas veces se omite este control, como se pudo constatar en las visitas a los
laboratorios.
7) Tambin se detecto que existe una discordancia entre las tablas utilizadas en la
CNFL y el DITEM, para la corroboracin de prdidas, esto debido a una posible
desactualizacion por parte del laboratorio de Coopesantos.
8) El uso de transformadores con niveles excesivos de prdidas representa un amento
de operacin, as como una mayor inversin que generacin.
9) En su mayora las prdidas en transformadores se manifiestan en calor, lo cual conduce a
mtodos de refrigeracin mas elaborados, que tambin contribuyen en el encarecimiento de
los dispositivos.
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10) La definicin del transformador como una mquina magntica esttica constituida
por dos circuitos elctricos acoplados magnticamente, pero aislados elctricamente, es el
punto de para el establecimiento de las pruebas. Para que el transformador tenga un
funcionamiento adecuado, debe asegurarse primero que los circuitos elctricos cumplan las
caractersticas de diseo, como lo es la relacin de transformacin y resistencia interna de
los devanados. Como segundo punto, para que exista un buen acople magntico se debe
garantizar que el ncleo cumpla con los requerimientos, para lo cual se cuenta con las
pruebas de perdidas en vaci.
11) Se evidencia que el transformador es un dispositivo, que por sus condiciones es apto
para que sea objeto de pruebas, que reflejen las caractersticas de operacin, dando crdito
de esta manera al trabajo que puedan desempear dentro del sistema elctrico
BIBLIOGRAFA
Libros:
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Elctricas I, Escuela de Ingeniera Elctrica, Universidad de Costa Rica, 2007.
12. Cspedes Moya , M. El Transformador Monofsico: Regulacin de Tensin y
Eficiencia, Manual de Laboratorio de Maquinas Elctricas I, Escuela de Ingeniera
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13. Instituto Costarricense de Electricidad; Colegio de Ingenieros Electricistas,
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18. Ensayo de Trasformadores ,
APNDICE 1[18]
