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Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica

Transformadores Especiales

Javier Rosero Garca, PhD Sandra Milena Tllez, MSc

Edif. 453 - 208 Cra 30 No 45-03 Bogot, D.C.

T. +57 316 5000 ext 14085 e-mail: jaroserog@unal.edu.co

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Contenido

Transformadores trifsicos

Transformadores generadores

Transformadores para convertidores

HVDC

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Son elementos de transformacin de amplio uso en transmisin y distribucin de energa elctrica

Transformador Trifsico Introduccin

Banco de Transformadores: Conjunto de 3 transformadores monofsicos que se conectan externamente en Y o D para formar un transformador trifsico

Transformador Trifsico: En un solo hierro se montan los bobinados de Alta y Baja, se conectan en Y o D

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Construccin anloga al monofsico

Estn constituidos por tres devanados de fase aislada en el primario y en el secundario

La estructura de cinco columnas y devanados cilndricos es usada para altas potencias

El ncleo puede ser comn

Transformador Trifsico Aspectos constructivos

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Diagrama de una sola fase equivalente para el transformador trifsico

Transformador Trifsico Modelos:

Y -Y

D -D

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Transformador Trifsico Modelos: Y -D

D - Y

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No introducen desfases entre los voltajes y corrientes de alta con respecto a los de baja tensin Y-Y Poco usado por dificultades en el manejo de armnicos - Se puede remover un transformador para mantenimiento

Introducen desfases: Voltaje L-N en lado D adelantan en 30 los

voltajes en el lado Y Corrientes L-N en lado D adelantan en 30 las

corrientes en el lado Y Transformador reductor de AT/MT, si es DY es

elevador

Transformador Trifsico Conexiones

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NTC 375 Transformadores. Medida de la resistencia de los devanados.

NTC 471 Transformadores. Relacin de transformacin. Verificacin de polaridad y relacin de fase.

NTC 1358 Protocolo de pruebas para transformadores.

NTC 380 Transformadores elctricos. Ensayos elctricos. Generalidades.

NTC 317 Electrotecnia. Transformadores de potencia y distribucin. Terminologa

Transformador Trifsico Normas

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Transformadores conectados directamente al generador de gran

tamao

Generacin alternativa y combinada

Potencia de kW a unos MW Red de distribucin en 3,3 kV a 11 kV

Uso de cambiadores de Taps y garantizar la salida de voltaje a la

red

Generadores diseados para operacin entre 11 y 30 kV

Aumento de la tensin requiere ms aislamiento en los bobinados del estator del generador

Aumento de tamao y costo.

Transformador Generador Caractersticas

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Mquinas alrededor 150 MW

11 kV, 9.260 A, fp: 0,85, Mquinas alrededor 660 MW

23,5 kV, 19.000 A, fp: 0,85 Generacin a grandes distancias de lugar de consumo

Generacin de ciclo combinado de turbina de gas

Tres transformadores asociados a las turbinas de gas (150 MW)

Transformador para la turbina de vapor (nominal de 250 MW)

Transformadores conectados entre s

A travs de aisladores e interruptor automtica de 400 kV

Transformador Generador Caractersticas

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Relacin de voltaje amplio desde 11 kV / 420 kV

Factor de potencia:

0,85 en retraso 0,95 en adelanto 0,7 en adelanto para potencia nominal

Voltaje de HV aproximadamente de 400 kV

Corriente de LV de 19.000 A, 800 MVA, 23,5 kV

La impedancia baja, alrededor del 16%

Regulacin de voltaje automtica (AVR): 5 %

El Peso debe estar dentro de lmites de transporte disponible

Altura mxima debe cumplir los lmites para transporte por puentes

de carretera

Fiabilidad y disponibilidad debe ser lo ms alta posible

Transformador Generador Caractersticas

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Factor de potencia alto

Bajas perdidas con carga y sin carga Conexin directa sistema de transmisin

Esfuerzo impulso alto Nivel de ruido bajo (Segn Norma)

Capacidad de sobrecarga baja

Transformador Generador Criterios

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Sobretensin repentinas: EN 60076

Vn: 140 % durante (5) minutos Transformador debe resistir sin daos

Se busca que transformador se sature y

mantenga una corriente magnetizante

muy grande

Bajo factor de potencia Disminucin de voltaje de generacin

Transformadores pueden ser objeto de rechazo de carga repentina

debido a la operacin de la proteccin elctrica en el generador

Transformador Generador Rechazo de carga

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El factor mas limitante es el Peso y la altura por el viaje

Transformador de 400 kV mayor aislamiento

Aumento de HV tiene el efecto de aumentar la reactancia, y por

tanto la impedancia

Aumentar la reactancia se ve compensado por un aumento en la

longitud axial del devanado

Transformador Generador Caractersticas de diseo

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Reduccin de Reactancia de dispersin split concentric

El devanado de alto voltaje se divide en dos secciones a cada lado

del devanado de LV

Mtodo de reduccin de la reactancia de dispersin y tamao fsico

Complejidad por aumento de No de devanados, de espiras y

aislamiento de conjuntos de devanados

Transformador Generador Caractersticas de diseo

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Usados desde 600 MVA

Diseo a voltaje y carga nominal a 1.7 Tesla

No exceder de 1,9 Tesla bajo cualquier condicin

Regulacin (AVR) dentro del rango 5%

Operando fp 0,85 retraso Todas las

condiciones nominales 400 kV

Tensin superior en 5% y frecuencia de hasta 49,5 Hz ( 1%)

Se incrementa el nivel ara superar la regulacin (max 420 kV).

Uso de taps

Transformador Generador Conjunto de monofsicos

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Ncleos

Transformador Generador Conjunto de monofsicos

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Ncleo y bobinas de una

sola fase: 267 MVA,

23.5/432 kV

Peso de 185 toneladas y

una altura de 4,89 m.

Ventajas

Fallas aislados por fase

Intercambio de unidades

monofsicas

Transformador Generador Conjunto de monofsicos

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Es el Proceso normal de puesta en marcha de la mquina

Especial atencin Altas corrientes por devanados LV y conexiones

Se busca eliminar caminos de circulacin de corriente en LV Sobrecalentamiento local grave Estructuras slidamente unidos a tierra en un solo punto

Conexiones LV

Trenzas son superiores a los laminados siempre que:

La conexin est permita suficiente flexibilidad en las trenzas No haya sobrecarga en trminos de densidad de corriente.

Supervisin trmica en transformador

Transformador Generador Puesta en marcha (Commissioning)

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Diseo de alta confiabilidad

Costos altos sin operacin de sistema de generacin

Cumplimiento de CIGRE apartado

6.7 y EN 60076 seccin 5.3

Programas de supervisin y

mantenimiento preventivo

niveles de aceite Supervisin de gases y

temperatura

Estado ce conexiones y limpieza del medio

Transformador Generador Rendimiento y fiabilidad

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El uso de interconexin de corriente DC de alto voltaje entre redes de

transmisin se ha incrementado

Usos Integracin de sistemas AC con caractersticas incompatibles

Lneas de transmisin de grandes distancias

Lneas subterrneas o submarinas

Caractersticas Eficiencia y bajo coste de lneas de transmisin

Elevado coste de subestacin: transformadores, convertidores

Reactancia de conmutacin en transformador a operacin nominal

Regulacin IEC 61378 Transformadores Converter

Transformador para HVDC Drives Introduccin

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La generacin de armnicos por el

convertidor es indeseable

Eliminacin de armnicos Convertidores de 12 / 24 pulsos.

Transformador en estrella y delta

(desplazamiento 30)

Alternativas Un transformador trifsico con dos

devanados

Dos transformadores trifsicos

Tres / seis transformadores

monofsicos

Transformador para HVDC Drives Conexin de devanado

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Desde sistema de interconexiones

presenta perturbaciones

Transformadores robustos

Limitados por peso y altura Limites de regulacin de

voltaje (6%)

Core and windings of a 234 MVA converter transformer for

Chandrapur, India. 400/3 kV, 50 Hz, Vn DC: 215 kV.

Transformador para HVDC Drives Conexin de devanado

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Esquema

Three-phase bank connections (Areva T&D)

Transformador para HVDC Drives Conexin de devanado

Section through core and windings of HVDC converter transformer (Areva T&D)

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Espesor y rea de aislamiento es mayor para transformadores

con convertidor

Resistir tensin DC inversa y dV/dt Esfuerzo de tensin en aislantes: papel, cartn prensado y aceite

Aislamiento combinados aceite/papel prensado

Mejoran capacidad dielctrica a nivele de tensin DC Tensin de estrs es inversamente proporcional a la

constante dielctrica

Resistividad del conjunto es ms alta

Transformador para HVDC Drives Diseo de aislamiento

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Los esfuerzos de AC y DC estn

definidos por diferentes

parmetros:

Se puede analizar el campo producido por cada

componente de AC y DC

Se obtiene el esfuerzo por separado

Transformador para HVDC Drives Diseo de aislamiento

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La resistividad del material aislante es afectada por la humedad

Se requiere mantener el aislamiento seco

Niveles de limpieza y proceso de filtrado

Eliminan partculas: celulosas, fibras metlicas Evitan descargas por efecto corona

Mantenimiento de equipos y supervisin de temperatura

Transformador para HVDC Drives Condicin de aislamiento

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Uso de filtros activos y pasivos para

reducir armnicos

Los armnicos aumentan las prdidas

parsitas. EN 61378-2

Garantizar prestacin de refrigeracin

Perdidas a 50 Hz

Perdidas a 150 Hz

Perdidas eddy (PWEI) y parasitas (PSEI)

21 LN WEI SEIP I R P P= + +

2 0.82 3 3

31 1

LN WEI SEIf fP I R P Pf f

= + +

Transformador para HVDC Drives Armnicos

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En esta aplicacin se tiene una componente DC alta

La corriente de falla depende la resistencia DC de devanado

Tiene valor muy bajo La corriente de falla DC se mantiene hasta que opere la

proteccin

Se tiene un valor alto de fem Se buscan valor altos de resistencia mecnica y estructuras de

apoyo

Altos valor de impedancia Se tiene alta regulacin

Transformador para HVDC Drives Reactancia de conmutacin y corrientes de corto circuito

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Pruebas de rutina - EN 60076 Relacin de voltaje

Resistencia de devanado

Prdidas sin carga

Medicin de corrientes e

impedancias

Ensayos especficos Ensayo de impulso conmutado

Prueba de impulso tipo rayo

Perdidas con carga

Incremento de temperatura

Pruebas de nivel acstico

Transformador para HVDC Drives Pruebas IEC 61378-2

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Prueba debe realizarse a 20 10 C

Tensin de ensayo se aplica con polaridad positiva

Terminales del transformador debe estar conectado a tierra

por un perodo de 2 horas antes de la prueba

La tensin de ensayo se establece al nivel de la prueba en 1

minuto y se mantiene por un perodo de 2 horas

Despus se reduce cero en un 1 minuto. Se monitorea las descargas parciales

Validez Si durante 30 minutos finales, no mas de 30 pulsos > 2000 pC y

no ms de 10 de estos estn en los ltimos 10 minutos.

Transformador para HVDC Drives Pruebas de tensin DC separada

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Condiciones de inicio iguales a prueba de tensin DC separada

La prueba consta de dos cambios de polaridad

La tensin de prueba se aplica con polaridad negativa y se

mantiene durante 90 minutos.

Se invierte la polaridad y se mantiene por 90 minutos Se invierte a polaridad negativa, y se mantiene por 45 minutos

Las inversin de polaridad se hacen en 2 minutos

Validez Si no hay mas de 30 pulsos > 2000 pC durante

los 30 minutos despus de cada inversin y un mximo del 10 de

stas dentro de los ltimos 10 minutos.

Transformador para HVDC Drives Pruebas de polaridad inversa

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Verificacin de capacidad de corriente por 12 horas - IEC 61378-3

Con capacidad de plena carga corregida Incluyendo armnicos y perdidas totales de devanado

Perdidas de devanado de corrientes de Foucault, armnicos

tender a concentrarse cerca de los extremos de las bobinas

Evitar tensiones trmicas excesivas fuera de la operacin normal

Uso de sensor de fibra ptica dentro del devanado

Se toman muestras de aceite y gases disueltos

Antes y despus de prueba dielctrica, pruebas aumento de temperatura y de carga

Transformador para HVDC Drives Pruebas de corriente de carga

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5. Conclusiones

Los transformadores son maquinas estticas de amplio uso en el

sector residencial, comercial e industrial

El diseo y operacin de un transformador debe estar de acuerdo

con uso aplicacin que permitan garantizar su optimo desempeo

La electrnica de potencia requieren que los transformadores sea

diseados con mayor robustez y capacidad de asumir armnicos y

las perdidas que pueden producir en el mismo

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Nmero de diapositiva 1ContenidoNmero de diapositiva 3Nmero de diapositiva 4Nmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva 6Nmero de diapositiva 7Nmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva 9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva 12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva 20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Nmero de diapositiva 26Nmero de diapositiva 27Nmero de diapositiva 28Nmero de diapositiva 29Nmero de diapositiva 30Nmero de diapositiva 31Nmero de diapositiva 32Nmero de diapositiva 33Nmero de diapositiva 34Nmero de diapositiva 35