INTRODUCCIÓN A LOS TRANSFORMADORES DE PODER
Los transformadores de poder, en las subestaciones eléctricas, son los equipos principales más importantes y los que cumplen un rol fundamental en el proceso de transporte de la energía eléctrica a grandes distancias. Estos equipos son importantes en diversas áreas de la electricidad, tanto para transmisión, generación y distribución.
Estos elementos transforman los niveles de tensión de un circuito a otro particular sin variar la frecuencia, con una pérdida de energía muy baja. Existen en distintos rangos de tensión de transformación, dependiendo de las características del sistema eléctrico en donde estén conectados.
Con el nivel de tensión de salida de un generador, no sería posible transportar la electricidad a grandes distancias. Esto porque los costos de materiales para las líneas de transporte, a esos niveles, serían excesivos y para nada práctico. Por otro lado, construir generadores más grandes, tampoco genera ventajas y en la realidad es algo impracticable.
Las conexiones de los transformadores de poder entre el generador y la línea de transmisión eléctrica, permite crear un diseño práctico para generadores, y al mismo tiempo, por medio del transformador de poder, realizar el transporte eléctrico a niveles de tensión más eficientes. Recordemos que los generadores son equipos que no superan los 25kV en sus terminales de salida.
Sin los transformadores de poder sería imposible desarrollar los grandes y complejos sistemas eléctricos que existen en la actualidad, lo que implicaría un lento desarrollo tecnológico, considerando lo necesario que es la electricidad para la vida humana.
Como se mencionaba anteriormente, al realizar transformaciones de tensión de un circuito primario a otro secundario, también permite la transformación de la corriente por un efecto simple de conservación de la potencia. Vale decir, si aumento la tensión, la corriente se reduce, pero la potencia que se está transformado sigue siendo la misma. De igual modo viceversa, si la tensión disminuye, la corriente aumenta.
Se puede apreciar matemáticamente y de forma más clara, por la relación directamente proporcional entre las espiras en los devanados primario y secundario, respecto de la tensión entre los mismos devanados, lo que llamamos “relación o factor de transformación”. Así mismo se ve la relación inversamente proporcional para las corrientes en ambos lados del equipo.
La formula es simple y es la más conocida en relación a estos equipos.
Esta característica es la que hace que se pueda transportar la energía a grandes distancias. Al reducir los niveles de corriente, permite usar cables de secciones más pequeñas, lo que considera un ahorro de material, por otro lado, el peso de estos mismos y el tensado en las torres eléctricas, se reduce, haciendo más manejables conductores de menor sección.
PARTES DE UN TRANSFORMADOR DE PODER
En sí, los transformadores de poder se integran básicamente de tres componentes principales: el devanado primario, que funciona de entrada, el devanado secundario, que trabaja como salida, y el núcleo del transformador, que cumple con el rol de conectar magnéticamente los dos circuitos (primario y secundario).
Con estos componentes se puede lograr transformar la energía eléctrica. Existen más componentes, por supuesto, ya que, a grandes potencias, las condiciones para mantener al transformador funcionando se vuelven más complejas. Esto implica que el transformador de poder debe tener una serie de otros elementos externos que ayuden al proceso mismo de la transformación eléctrica.
Por ejemplo, los transformadores de poder al realizar transformaciones de energía, generan calor. Esto obliga a integrar equipos de enfriamiento para optimizar la vida útil y el rendimiento del equipo en el sistema eléctrico. Este equipamiento de enfriado puede incluir intercambiadores de calor, radiadores, ventiladores y bombas de aceite.
Por otro lado, los transformadores de poder, en alta tensión, internamente y de forma general, están sumergidos en un aislante eléctrico. Entre estos, los especialistas destacan varios tipos como el aceite mineral derivado del petróleo, el aceite vegetal extraído de semillas oleaginosas como la maravilla y la soya, entre otras, además de los fluidos sintéticos, como la silicona (polímero inorgánico llamado polisiloxano y que está constituido por una serie de átomos de silicio y oxígeno alternados), Midel y Alpha fluid (estos dos últimos, hidrocarburos sintéticos).
La siguiente imagen muestra las partes de un transformador de poder sumergido en aceite.
AUTOTRANSFORMADORES
Los autotransformadores, a diferencia de los transformadores como tal, poseen partes móviles. Al poseer partes móviles, permite variar la tensión en la salida a ciertos rangos o porcentajes específicos, propios de la construcción de transformador, permitiendo a las áreas de operación de los sistemas eléctricos, controlar la tensión de salida.
El autotransformador tiene un bajo costo, mejor regulación de la tensión y bajas pérdidas. La desventaja de este, es que el devanado primario del autotransformador no está aislado del secundario, vale decir, no existe separación galvánica.
El autotransformador tiene un único devanado que actúa a la vez de primario y de secundario. Al tener un solo devanado para el primario y el secundario este tiene menos pérdidas, lo que supone un mejor rendimiento. Esta misma característica es la que, al mismo tiempo, genera una gran desventaja. Esto, ya que, en caso de existir una falla en el lado secundario, la tensión primaria se reflejará en el lado secundario.
Por ejemplo, para el caso de un transformador reductor con un primario de 110kV y el lado secundario de 13kV, en caso de una ruptura del lado de baja, inmediatamente los 110kV se reflejarían en el lado secundario, generando un riesgo para los operadores, el equipo y el sistema eléctrico.
CAMBIADOR DE TOMAS “TAP’S” DE UN TRANSFORMAFOR
Como un transformador tradicional es estático, desde el punto de vista que sólo ofrece una relación de transformación, no permitiendo tener control de la tensión de salida, a diferencia del autotransformador que sí lo permite, pero con desventajas que reducen la confiabilidad del equipo, es que los transformadores para poder regular la tensión, requieren de un componente llamado “cambiador de tomas”.
El cambiador de tomas, permite al transformador de poder tener la ventaja que ofrece el autotransformador, manteniendo a su vez, la capacidad de aislar ambos lados eléctricamente (primario y secundario).
Los transformadores con cambiador de tomas permiten regular la tensión de salida por medio de un circuito que cambia la posición de donde se conecta a las espiras del equipo. De esta forma, se logra la regulación de tensión, como se puede apreciar en la siguiente imagen.
TRANSFORMAFOR ELEVADOR – REDUCTOR
Cuando el voltaje primario es mayor que el voltaje secundario, entonces el transformador se llama autotransformador reductor, y cuando el voltaje primario es más pequeño que el secundario, entonces se llama transformador automático elevador.
Es común utilizar transformadores elevadores en generación y transmisión, y transformadores reductores en el sector de la distribución.
Para poder transportar la energía que se está generando, ya sea desde parques solares, eólicos, hidroeléctricas, etc., siempre será necesario un transformador elevador para llevarla a grandes distancias. A través de estos, se inyecta la energía al sistema eléctrico. Posteriormente, cuando la energía llega a las ciudades, por medio de transformadores reductores, se logra llevarla a los niveles de distribución y posteriormente a los niveles que se utilizan en la industria y el hogar.
PROTECCIONES PARA EL TRANSFORMADOR DE PODER
Protecciones internas – mecánicas
El transformador de poder, al ser uno de los equipos más importantes en una subestación eléctrica, también es uno de los más costosos, además de considerar lo difícil que es de reemplazar en caso de daños irreparables. Cuando se dice “difícil de reemplazar”, se hace referencia al proceso de compra del equipo correcto, con las características que se requieren, para el circuito al cual se conectará. Esto fácilmente tomará meses hasta tener el equipo en sitio. Por tal razón, es importante que los sistemas de control y protección de estos equipos, sean altamente confiables y que eviten daños y deterioros importantes en casos de fallas eléctricas en el sistema.
Por tal razón y además por los componentes del propio transformador de poder, es que se instalan protecciones internas y externas al equipo, con el fin de asegurar su funcionamiento y vida útil.
Las protecciones internas del transformador, o bien llamadas, protecciones mecánicas, están instaladas directamente en el equipo. Estás protecciones censan temperaturas, gases y presiones con el fin de evitar que el equipo se dañe frente a sobrecargas o fallas.
-
Buchholz
Esta protección contiene dos flotadores en su interior que basculan debido a la presencia de gases en el interior del transformador. Estos gases se producen debido al calentamiento del aceite existente al interior del transformador. Esta anomalía puede deberse a cortocircuitos en los devanados, corrientes de fuga, envejecimiento del aceite que propicia descargas internas, corrientes de Foucault por defectos del núcleo magnético, entre otras causas, que hacen calentar el aceite a temperaturas anormales de trabajo.
Cuando se generan estos gases, dependiendo de la cantidad y la rapidez de su crecimiento, es que los flotadores indican a través de contactos eléctricos, que el transformador está fallando. En caso de ser una falla grave y con una rápida evolución, uno de los contactos, envía señales de apertura a los interruptores asociados al circuito del transformador, para aislarlo eléctricamente del sistema.
-
Válvula de Sobrepresión
La válvula de sobrepresión de diafragma es un dispositivo que va ubicado en la parte superior del transformador. Consta de un recipiente tubular y una membrana que resiste una presión determinada y que se fractura cuando la presión interna del transformador de poder se vuelve peligrosa.
Estas presiones peligrosas se pueden producir, por ejemplo, cuando se presenta un cortocircuito en el lado primario o bien, cruzamiento entre devanados, lo que provoca un aumento de temperatura y finalmente un aumento de la presión. Cuando opera la válvula de sobrepresión, permite la salida de aceite y gases hasta equilibrar la presión interna, evitando que el transformador explote.
-
Relé de presión súbita
Este dispositivo se ubica normalmente en la pared lateral del transformador o en la parte superior, por sobre el nivel máximo del aceite aislante.
Se utiliza para proteger al transformador de poder de fallas internas, mediante la detección de cambios súbitos de la presión (cambios rápidos). Estos cambios súbitos se pueden generar por los arcos internos en el aceite, los que generan gases con presiones excesivas.
-
Sensores de Temperatura
Estos sensores se instalan en el transformador para medir la temperatura del aceite y así determinar si el equipo está trabajando en condiciones normales. Estos sensores se conectan a equipos inteligentes los cuales, a su vez, dependiendo de las temperaturas que se estén registrando, envíen señales de alarma o bien, en algunos casos, señales de apertura a interruptores para aislar eléctricamente el equipo.
-
Indicador de nivel de aceite
El indicador de aceite se emplea para saber si la cantidad de aceite al interior del transformador de poder es suficiente para trabajar en condiciones normales. Este indicador cuenta con varios niveles, tanto para una cantidad de aceite superior o bien para cantidades bajas y muy bajas.
Por medio de contactos auxiliares, se envían señales de alarma a los sistemas de monitoreo eléctrico.
Protecciones externas
Las protecciones externas de los equipos de transformación, son instalados comúnmente en una sala eléctrica dentro de la subestación, bien llamada, sala de control y protecciones. Estás protecciones son equipos secundarios que funcionan con niveles de tensión y corriente más seguros al manejo del personal eléctrico. Con estos equipos secundarios se monitorea el equipo de forma externa y en caso de existir una falla, envían señales de apertura a los interruptores asociados al transformador de poder, con el fin de aislarlo eléctricamente.
De las protecciones externas más comúnmente usadas para los transformadores, tenemos la “diferencial de transformador”. Este equipo de protección es muy sensible a las fallas eléctricas que detecte en el transformador o en la zona que se está protegiendo, dónde está incluido el transformador de poder.
Los relés diferenciales de transformador, son complementados con otras funciones de protección que permite respaldo en casos que los relés diferenciales no detecten o no despejen la falla en los tiempos programados. Funciones de sobrecorriente de neutro y sobrecorriente de fases, es común encontrarlos en este tipo de circuitos.
Dado que la tecnología ha avanzado muy rápidamente, es posible encontrar en un único dispositivo de protección las funciones anteriormente mencionadas e incluso muchas otras más. Es común que los equipos de protección, trabajen bajo una función principal y también tengan otras funciones de respaldo. Una forma fácil de describir sería utilizando el ejemplo de un celular smartphone. El smartphone tiene como función principal la de realizar llamados, pero de forma adicional, contiene otras funciones extras como enviar mensajes de texto, conectarse a internet, etc. Así mismo un equipo de protección contiene varias funciones internas las cuales pueden ser activadas, dependiendo de los estudios eléctricos de ajustes de protecciones.
MANTENIMIENTO
En sí, los transformadores de poder, son de larga vida, si son tratados y mantenidos debidamente, aunque al mismo tiempo son equipos que no requieren de mantenciones periódicas todo el tiempo, como otros equipamientos, por lo que a veces, es un arma de doble filo, ya que no se realizan las revisiones en los momentos adecuados, permitiendo que fallen.
El mantenimiento y cuidado es extremadamente vital para tener una alta confiabilidad y así no reducir el tiempo de vida útil. Como se mencionó anteriormente, una falla critica en el equipo, incapacita inmediatamente el funcionamiento del sistema eléctrico, ya que reemplazarlo no es una tarea fácil y rápida.
Al momento de realizar trabajos de cuidado del transformador de poder, los ensayos que normalmente son realizados para ver la vitalidad del equipo son la relación de transformación, la corriente de excitación, índice de polarización, resistencia de aislamiento, tangente de delta, resistencia del devanado, la impedancia de cortocircuito, etc.
Mantenciones controladas y revisiones programadas de forma inteligente, ahorran mucho dinero y tiempo, y además permiten que el sistema eléctrico, en general, funcione sin perturbaciones, seguro y de forma continua.
