tesis previ aa l obtencióa deln título de ingenier eléctrico o · frecuencia número de espiras...
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ESCUELA POLITÉCNICA N A C I O N A L
DISEÑO DE UN TRANSFORMADOR DE 100 KV.
PARA PRUEBAS DE LABORATORIO EN ALTA TENSIÓN.
Tesis p r e v i a a la o b t e n c i ó n del
T í tu lo de I n g e n i e r o Eléc t r ico
R A M I R O C E V A L L O S ALMEIDA
Q u i t o . J u l i o , 1979
C E ' R T I F I C O
Que el p resante t raba jo fue
real izado por e 1/Señor
• Rami
ING"7~ ~M£NTORDirecÍTÓr de Tes is
A G R A D E ' C I M I E N T O
Al Doctor La jos B a j z a ,
Ingeniero Paul A y o r a ,
Ingeniero Mentor P o v e d a .
Í N D I C E
Página
DISEÑO DE UN TRANSFORMADOR DE 1GG KV. PARA PRUEBAS
DE LABORATORIO EN ALTA TENSIGN
CAPITULO I GENERALIDADES
1. Finalidades del diseño . * , ,, 1
2 . Descripción del tipo de transformador a diseñarse. 1
3 . Especificaciones Generales.. -1
CAPITULO II DISEÑO ELÉCTRICO (PRIMERA ALTERNATIVA)
.1 . INTRODUCCIÓN •• 4
2. Justificación del núcleo utilizado. , .'. . 5
3. Características eléctricas del bobinada 10
4. -Distribución de los bobinados., 16
5. Cálculo de la reactancia de dispersión....... 25
6'. • Cálculo de la reactancia de magnetización. ........ 49
7. Cálculo de la reactancia.capacitiva. „,... 51
8. Control de pérdidas........./; 63
9. Contrpl del aislamiento.,... 66
10. Conclusiones > . . . 82
CAPITULO III DISEÑO ELÉCTRICO (SEGUNDA ALTERNATIVA)
1 . Introducción. 84
2 . Distribución de los bobinados ....,.., 85
3 . Cálculo de la reactancia de dispersión............ 100
4 * Cálculo de la reactancia capacitiva............* . t 103
5. Control de pérdidas, ', 113
6 . Control de aislamiento 115
7. Control de calentamiento...*. 129
8. Diseño del tanque,, 141
CAPITULO IV ASPECTOS CONSTRUCTIVOS
1. Fabricación de los devanados...... t . ..,,.. 148
2. Fabricación del tanque y colocación del núcleo en
el mismo « '. 154
3, Conexiones y terminales de sal i da..e 156
4, .Secado del transformador y llenado de aceite en el
tanque... 157
5 .• Conclusiones finales 162
REFERENCIAS
C 'A' P" T T U' "L 'O' ' ' 1 '
GCN'ERA'LIDAPES-
1. FINALIDADES DEL DISEÑO
El presente trabajo de tesis, tiene dos objetivos
fundamentales: el primero de los cuales es continuar con un
proceso de investigación aplicada, iniciada años atrás en la
Facultad de Ingeniería Eléctrica, con el fin de encontrar
una teconología adecuada a nuestras posibilidades tanto téc-
nicas como económicas y, en segundo lugar el dotar al Labo-
ratorio de Alta Tensión de un transformador que pueda traba-
jar en cascada con el ya existente, con el fin de elevar el
nivel de voltaje de 100 a 200 KV.
En la actualidad el transf.ormador existente permi-
te trabajar con rangos de voltaje de hasta 100 KV., que de a-
cuerdo con el crecimiento de la industria eléctrica en el
país, no puede cumplir con todos los requerimientos de la mis-
ma .
Tomando en consideración lo antes mencionado, el de-
partamento de Ingeniería Eléctrica ha creído conveniente que
este transformador sea construido en el área de máquinas, sien-
.2
do su di seno motivó de la presente tesis.
2. DESCRIPCIÓN DEL TIPO DE TRANSFORMADOR A DISEÑARSE
Existen dos tipos básicos de transformadores que son
los acorazados y tipo núcleo, cada uno de los cuales presentan
sus ventajas y desventajas frente a un cierto tipo de requeri-
mientos .
Para su selección se deben tomar en cuenta los siguien-
tes aspectos:
&~\ Técnicos
Económicos
Tomando en consideración las características menciona-
das 'anteriormente, el tipo más apropiado resulta ser el tipo
núcleo por:
Facilidad de construcción
Resistencia a los esfuerzos mecánicos
Económico
La existencia de un núcleo construido anteriormente
con el. mismo propósito hizo pensar en la posibilidad de hacer
uso del mismo, lo cual disminuiría en gran parte el trabajo
de construcción.
La decisión de usar este núcleo se la deja para luego
de determinar experimentalmente las características del mismo.
De acuerdo con la característica de que la alimenta-
ción de este transformador se lo hará a nivel 100 !<V.. el
tanque deberá ser aislado para 100 o 150 KV. de acuerdo a la
conexión utilizada, como se verá más adelante.
3. ESPECIFICACIONES GENERALES
Potencia = 5, KVA.
Voltaje en el primario = 220 voltios
Voltaje en el secundario - 100.000 voltios
Frecuencia - 60 Hz.
- Aumento máximo de temperatura - 50 C
•' . Refrigeración por circulación natural de aceite
La eficiencia no se ha considerado como dato de parti-
da ya que el transformador trabajará la mayor parte del tiempo
en vacío.
C 'A 'P I T U L "Ü ' ' II
DISEÑO ELÉCTRICO ' (PRIMERA ALTERNATIVA)
1. INTRODUCCIÓN
Para seleccionar un tipo de devanado determinado que
es el que básicamente nos determinará el estudio de varias al-
ternativas deben ser considerados los siguientes requerimien-
tos :
- Resistencia dieléctrica adecuada y efectiva con-
tra vari os tipos de voltajes.
- Adecuada ventilación de los bobinados
- Adecuada resistencia mecánica
-Costo mínimo.
La construcción debe permitir que salgan en d e b i da
forma los terminales y las tomas..
Para esta primera alternativa se utilizará el deva-
nado concéntrico, por considerar que es un arreglo muy senci-
llo de bobinado, en el cual el bobinado de alto voltaje se
•coloca sobre el devanado de bajo voltaje, a fin de obtener un
C 'A "P I T U L 'u ' ' II
DISEÑO 'ELÉCTRICO (PRIMERA ALTERNATIVA)
1.. INTRODUCCIÓN
Para seleccionar un tipo de devanado determinado que
;es el que básicamente -nos determinará el estudio de varias al-
tBrnativas deben ser considerados los siguientes requerimien-
tos .:
- 'Resistencia dieléctrica adecuada y efectiva con-
• tra varios tipos de voltajes.
-•Adecuada ventilación de los bobinados
- Ad-scuada XB:si.sten.cia 'mecánica
— Costo mínimo..
La .constr.uccion debe permitir que salgan en debida
forma los terminales y las tomas. ,
PBXB esta primera alternativa se utilizará el deva-
nado .concéntrico j por considerar que es un arreglo muy senci-
llo de bobinado., en el .cual el bobinado de alto voltaje se
•coloca sobre el devanado de bajo voltaje, a fin de obtener un
.5.
buen acoplamiento entre devanados, esta alternativa presenta
además otras ventajas como son: facilidad de aislamiento entre
bajo y alto voltaje, facilidad de realizar el devanado por ca-
pa y por necesitar de un solo bushing de salida.
En este capítulo se incluirán todos los cálculos y
resultados correspondientes a este estudio.
2. JUSTIFICACIÓN DEL NÚCLEO UTILIZADO
La posibilidad de usar el núcleo existente, nos lle-
vó a realizar la prueba de circuito abierto para determinar:
las características y calidad del hierro, y partiendo de estos
datos obtener los valores de densidad de flujo con los cuales
se podría . trabajar.
Para esto se dispuso de dos arrollamientos sobre una
de las columnas del núcleo, siendo estos de 84 y 16 espiras.
El circuito utilizado fue el siguiente:
FIGURA
-TStfSiFV-wr> N i
Ni.
.6
A Amperímetro
V Voltímetro
W Vatímetro
N1 = 84
N2 = 16
De los valores obtenidos mediante esta prueba, y
partiendo de la siguiente igualdad:
E = 4 . 4 4 x f x N x 0 x 10'o
donde:
N
0.
fuerza electromotriz inducida
frecuencia
número de espiras
flujo magnético
y de que
= B x A
d o n d e
.7
B densidad de flujo
A sección transversal de la columna .
Tenemos que:
B = • -E
4,44 x f x N x A x 10~8
2Siendo la sección de la columna igual a 57,22 cm ,
los valores tomados y los resultados obtenidos se resumen en
la siguiente tabla:
T'A B' L A N2 1'
V1
(V)
10
20 '
30
40
50
60
70
80
V2
(V.)
1,8
3,8
5,8
7,8
9,5
Íl,5
13,5
15,5
11
(A)
0
0
0
0
0
0
0
0
,19
,28
,355
,43
,515
,62
,75
.91
P
(W)
1
3
6
10
14
19
25
32
BxlO3
(GAUSS)
0
1
2
3
3
4
5
6
j 7 1 1 5
;502
,292
,083
,"755
,545
,336
,127.
VA/KG( i
0,03
0,1
0,19
0,31
0,46
0,66
0.93
1,29
W/KG
D0
0
0
0
0
0
0
0
,018
,053
,106
,177
,218
,337
,443
,567
.8
90 17 1,15 39,5 6,12 1,84 0,70
100 19 1,56 48 7,51 2,77 0;05
110 20,5 2,1 58,5 8,103 '4,1 1,03
120 22,5 2,8 72 8,894 5,96 1,277
130 24 3,8 90 9,487 8,77 1,597
140 25,5 4,9 118 10,08 12,17 2,09
. Las curvas correspondientes a esta prueba pueden
verse en la figura N^ 2,
El valor de densidad de flujo cor, el cual se va a
trabajar debe ser escogido de esizas curvas tomando en cuenta
las siguientes consideraciones:
- El valor que se tome debe estar pasando el codo
de la misma y en la parte recta.
- El valor de pérdidas correspondientes no debe ser
elevado .
De acuerdo con estas premisas el valor escogido fue
el de B - 9,2 K G A U S S, al cual corresponden los valores de
7,4 VA/KG y 1,46 W/KG en pérdidas.
^^i^:\\:i:^^---v^r^:i^"^--•H;:irH-:lH™~:B^fe^-Hí
C/l
.9
Este valor de densidad de flujo de acuerda con la ta-
bla N 2 2 corresponde a un acero de calidad corriente, a pesar
de ésto y tomando en consideración, la dificultad que presen-
ta el poder obtener en el mercado acero de gran calidad, se de-
cidió por utilizar este núcleo, teniendo como una gran desven-
taja que el valor de voltios/espira que se iba a obtener sería
bajo, con lo cual el número de espiras sería elevado para el
devanado de alta tensión.
Vale anotar que la única limitación que se presenta
en el aumento de la densidad de flujo, radica en las pérdidas
y en ciertos casos ruidos por efectos de vibraciones mecánicas
y magnetrostricción.
Las características de este núcleo pueden verse en
la figura N2 3.
T A B L A N S 2
Acero de grano orientado 12 - 15 K GAUSS
Acero corriente , 8 GAUSS
Mal acero , menor a 8 [< GAUSS
.J
.10
3. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL BOBINADO
V o l't'a j e p o'r E's'p'i r a
Liiego de haber determinado el valor de densidad de
flujo con el cual se va a trabajar y conocido la sección de -la
columna se puede determinar el voltaje por espira que se va a
tener :
V t r 4 . 4 4 x f x B x A x '10 8
donde :
Vt voltaje por espira V/espira
B densidad de flujo GAUSS
2A sección de la columna cm
f frecuencia • ' Hz
Vt - 4.44 x 00 x 9,2 x 103 x 57,22 x 10'
Vt - 1.4 voltios/espira
Este valor es igual tanto para el lado primario co-
mo para el secundario, si consideramos que las caídas de ten-
sión internas son muy pequeñas.
09
OQO
B;[ ap uptpoas
Dimensiones de la Ventana
12
290
Características Generales
Peso - 56.36 Kg.
Volumen - 10629 cm.
Tipo el e Acero: Corriente
Fig. NS 3 CARACTERÍSTICAS DEL NÚCLEO
Núm'er o' de Espiras
.13
voltaje' "en el lado de 'baja tensiónespiras primarias =• •voltaje por espira
N2 espiras primarias - = 157,14 espiras1,4 V/esp
NS espiras primarias = 158
h,n • i voltaje" en" el A¿Ldo de alta-tensionN 2 espiras secundarias = u - -voltaje por espira
• A 100.000 V TI / 00 C-7S espiras secundaria = : • = 71428,57 espira1 j 4 V/espira
£ espiras secundaria = 71429
Corrie'n'te de* 1 o's' bobinados
Corriente en el lado primario:
_5 KVA'1!„ ^ ^ KV^- x 10" = 22,1 .A
220 V
Corriente en el lado secundario
x 103V2
I2 = 5 KVA
100.000 Vx 103 = 0,05 A
Dimensionamiento de los Conductores
.14
Si asumimos un valor de densidad de corriente A 1
5A/mm2
A., = 11
A,, - 22 , 7 A' - 4,54 mm2
5 A/mm
D1 - 2 Al
D1 = 2
3,14= 2,4 mm
.15
De acuerdo con estas características el conductor que
se utilizará es el NS 10 AWG cuyas características físicas son
las siguientes.
diámetro = 2,588 mm.
sección = 5,26 mm
-O. /Km =3,28
Kg/Km = 46,77
diámetro (H) = 2 : 67 rnm.
Asumiendo una densidad de corriente A = 4A/mm
= -12
0 = 0/05 'A' n ni9, 22 . ——_- - 0,0125 mm
D2 = 2 i A2
2
\53;1415O.1261 mm
Por razones mecánicas el conductor N2 36 AWG corres^
'pone/lente a las características anteriores, no será utilizado
.16
para el presente diseño siendo el conductor N 32 el que lo
sustituirá con las características siguientes:
diámetro - 0.203
sección = 0,0324
-O. /|<m _ 532
Kg/Km _ 0,208
diámetro (H) = 0,239
/\e debe anotar q u e / A 1 es diferente de /_\ únicamen-
te por razón de obtener un conductor de sección adecuada, no
muy grande para el caso correspondiente a baja tensión, y no
muy pequeño para el de alta, para permitir trabajar en el bo-
binado c o y\ a y o r fácil i dad.
4. DISTRIBUCIÓN DE LOS BOBINADOS
A parte de la clasificación de los bobinados en cir-
culares y rectangulares, los bobinados de los transformadores
pueden ser concéntricos o tipo s a n d w i c h.
Por 1 a facilidad que presentan loe devanados t i [3 o
concéntrico . en lo que se re fie re al aisi amie ni o, inicialmen-
t e R tí o p t ó p o r este t i p o de d i n t r i b u c i, ó n .
.17
Una capa de papel ais.lante es colocado en forma ci-
lindrica sobre las columnas del núcleo con un espesor de 3 m m *
el espacio entre columna y papel sirve para la circulación del
aceite. El devanado de bajo voltaje se coloca sobre esta ca-
pa; dividido en las dos columnas en un número de 79 espiras
sobre cada una, dejando una distancia de seguridad entre bobi-
nado y brazo del núcleo de 25 mm., a continuación se deja un
espacio de 4 mm. para circulación de aceite, espacio que se
forma con barras de fibra aislante que se coloca en forma
axial y con una capa de papel de 2 mm. sobre la cual se colo-
ca el devanado de alto voltaje.
. Este devanado fue diseñado de tal forma que el núme-
ro d'e espiras por capa fuera disminuyendo paulatinamente a fin
de cumplir con las distancias de seguridad entre devanado y
'brazo del núcleo y es así como se llegó a tener un total de
105 capas, las mismas que están conectadas en serie (un esque-
ma, representativo se ilustra en la f i g . N 2 4) } razón por la
cual se.tiene un total de 52 interconexiones tanto en la parte
superior corno en la inferior.-
O Y. 100 KV. 220 V, .1
El aislamiento entre capa y capa fue previsto' en 2 mm
lo cual da un gran margen de seguridad en lo que a esfuerzos
radiales se refiere.
Los resultados de esta distribución se resumen en la
tabla NS 3, y los planos NS1 , 2.
T A B L A N£ 3
CAPA ESPIRAS VOLTAJE V ESPACIO ENTRE BOBINA-
DE LA Voltaje DO Y NÚCLEO (mm)
CAPA V
- ' ' ' ' ' ' ' . - • - Vertical Horiz
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
N°
N2
NS
NO
NS
1
2
3
4
5
1572
1572
1542
1512
1482
2200
2200
2158,8.
2116,8
2074,8
2200
4400
6558,8
8675,6
10750,4
25
25
27,1
29,2
31,3
19
19
21
21
24
ontal
,79
,79
O "X
;93
,07
.•19
CAPA N g NS ESP1R;\S VOLTA
DE LA
.CAPA.
JE
V
V
Voltaje
ESPACIO ENT
Y NÚCLEO (
RE BOBINADO
mm )
. . . . " . ' Ver.h.ic.a 1 • Hnr i rnrrhal
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
2 6
2 7
2 8
Q 9
21 0
211
212
213
214
215
216
217 •
21 8
219 .
220
221
222
223 .
224
1452
1422
1392
1362
1332
1302
1272
1242
1212
1182
.1152
1132
1112
1092
.1072
1052
1032
1012
992
2032, 8
1990,8
1 948,8
1906,8
1
1
1
1
1
1
1
1
1
- 1
. 1
1
1
1
1
864,
822,
780,
738,
696,
654,
612,
584,
556,
528,
500,
472,
444,
416,
.388,
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
12783,
14774,
16722,
18629,
20494S
22317,
24098,
25836,
27-533,
29188 ,
30801 ,
32286,
33942,
35471 ,
36972,
38445,
• 39890
41306,
42695,
2
0
8
6
4
2
0
8
6
4
2
0
8
6
4
8
8
6
33,4
35,5
37,6'
39,7
41 ,8
43,9
46
48,1
50,2.
52,3
54,4
55,8
57,2
58,6
60
61 ,4
62, 8
64,2
65,6
24
26
26
28
28
30
30
32
32
34
34
36
36
39
39
41
41
43
43
,07
,21
,21
,35 '
,35
,49
,49
563
,63
,77
,77
,91
,91
,05
,05
,19
,19
,33
,33
,20 .
CAPA N° N£ ESPIRA S VOLTAJE
DE LA
CAPA V
V ESPACIO ENTRE BOBINA-
Voltaje DO Y NÚCLEO (mm)
. . . Vertical
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa _
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
N2 25
N2 26
NS 21
N°- 28
Ne 29
N2 30
Ne 31
N2 32
NS 33
N2 34
N2 35
. NS 36
NS -37
N2 38
N^ 39
N2 40
N° 41
NS 42
N2 43
972
952
932
912
892
872
852
832
822
812
802
792
782
772
762
752
742
732
722 -
1360,8
1332,8
1304,8
1276,8
1248,8
1 220 ?8
1192,8
1164,8
.1150,8
1136,8
11 22, 8
1108,8
10'94;8
1080, 8
1066;8
1052,8
1038,8
1024?8
1010.8
44056,4
45389/2
46694,0
47970,8
49219,6
50440,4
51633,2
52798,0
53948,8
55085,6
56208,4
57317;2
58412,0
59492,8
60559,8 '
61612,4
62651 ,2
63676,0
64686,8
67,0
68,4
69,8
71 ,2
72,6
74,0
75,4 •
7638
77,5
78,2
78,9 '
79,6
80,3
81
81 ,'7
82,4
83,1
83,8
84,5
Horizontal
45
45
47
47
49
49
51
51
54
'54
56
56
58
58
60
60
62
62
64
,47
,47
,61
,61
,75
,75
,89
,89
,03
,03
,17
,17
,31
,31
,45
,45
,59
,59
,73 .
. 21
CAPA
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa .
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
NS NS ESPIRAS VOLTAJE .V
DE LA Voltaje
CAPA V . .
NQ 44
NS 45
NS 46
NO 47
NS 48
N2 49
NS 50
NS 51
NS 52
NS 53
NS 54
NS 55
NS 56
NS 57
NS 58 -
NS 59
NS 60
NS 61
NS 62
NS 63
712
702
692
682
672
662
652
642
' 632
622
612
602,
59.2
5'82.
572
562
552
542
532
522
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982,
968,
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772,
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8
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8
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8
8
65683,6
66666,4
67635,2
68590,0
69530,8
70457 ,6
71370,4
72269,2
'73154,0
74024,8
74881 ,6
75724,4
76553,2
77368,0
78168,8
78955,6
79728,9
80487 ,2
81232
81962,8
ESPACIO ENTRE BOBINA
DO .Y. NÚCLEO (mm)
Vertical
85,2
85,9
86?6
87,3
88
88;7
89,4
90,1
90,8
91 ,5
9Z,2
92,9
93,6
94,3
95 "
95,7
96,4
97,1
97,8
98,5
Horizontal
64
66
66
69
-69
71
71
73
73
75
75
77
77
79
81
83
83
86
86
88
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,13
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. 22
CAPA NS N s ESPIRAS VOLTAJE
DE LA
. . .CAPA V ' '
V
Voltaje
ESPAC
DO Y
. . . ' . . .Ver.ti
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Ca'pa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
NS 64
NS 65
NS '66
NS 67
NS 68
NS 69
NS 70
NS 71
NS 72
NS 73
NS 74
NS 75
'NS 76
NS 77
NS 78
NS 79
NS 80
NS 81
NS 82 .
NS 83
512
502
492
482
472
462
452
442
- 432
422
412
402
392
382
372
362
352
342
332
322
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8
8
8
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8
8
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8
8
8
8
8
8
8 '
8
8
82679
83382
84071
84746
85406
86053
86686
87305
87910
88500
89077
89640
90189
90724
91244
91751.
92244
92723
93188
93638
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1
1
1
1
1
07
08
09
09
10
11
11
12
10 ENTRE BOBINA-
NUCLEO (rnrn)
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,9
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94,
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101 ,
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55
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11
25
25
39
39
53
53
67
.23
CAPA N<2 NS ESPIRAS VOLT
DE L
CAPA
'AJE V ESPAC
.A Voltaje DO Y
, .V. '
10 ENTRE BOB
NÚCLEO (mm)
. . . . Vertical
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
Capa
N°
NS
NS
NS
NS
N2
NS
N°
NS
Ne
N°
N°
NS
Ne
Ne
NS
N°
NS
NS
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85
86
87
88
89
90
91
92
93
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96
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98
99
100
101
102
312
302
292
282
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262
252
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222
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8
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94490
94907
95302
95682
96049
96402
96741
97066
97376
97673
97956
98225
98480
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99160
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CAPA N2 N2 ESPIRAS VOLTAJE
Capa N2 103 122
Capa N2 104 112 .
Capa NS 105 . 92 .
DE LA
CAPA V .
170,8
156,8
1 2 8 , 8.
V
Voltaje
' 99714,8
99871 ,6
1 00000,4
ESPAC
DO Y
Vertí
126
127
130
10 ENTRE BOBINA-
NÚCLEO
cal
,5
,2
,0
( mm )
H o r i z o n t R 1
131
131
133
,07
,07
,21
VENTAJAS Y DESVENTAJAS QUE PRESENTA ESTA DISTRIBU-
CIÓN
a)' Ventajas:
- Con la presente distribución se necesita de un
• solo bushing de 100 KV,
- Facilidad de realizar el bobinado por capa
- Facilita el control de reactancia capacitiva y
es fuerzas. '
b) Desventajas:
1 - La presencia de 100 K V » entre el tanque y termi-
nales de salida.
.25
- Elevado número de interconexiones
- Dificultad para evaluar la reactancia de
persión.
- Espacio que ocupa
5. CALCULO DE LA REACTANCIA DE DISPERSIÓN
Es necesario hacer una distinción especial entre flu-
jo de dispersión y flujo común o principal. El flujo común se
caracteriza por concatenar con los devanados primario y secun-
dario del transformador, fluye sobre el hierro y sirve de vehí-
culo transmisor de energía.
El de dispersión se caracteriza por hallarse conca-
tenado sólo con los arrollamientos primario o secundario, su
.recorrido principal es a través del aire y no interviene en
la transmisión de energía.
No es preciso llegar a la valoración numérica del
flujo de dispersión para calcular su reactancia, que depende
de las dimensiones geométricas del circuito magnético dond.e
se asienta dicho flujo, el número de espiras en las
ducidas por el y de la permeabilidad del hierro.
.26
En lo que respecta" al lado de alta tensión.. el circui-
to corresponde a un circuito electromagnético de concatenación
prgresiva. El flujo se halla concatenado progresivamente con
un número creciente de espiras.
Cada línea de fuerza abraza un número distinto de es-
piras, desde cero para las líneas que se inician en la superfi-
cie exterior de la bobina, hasta el total de N2 espiras abraza-
das por las líneas que pasan por el eje.
La expresión de la inductancia de la bobina en un mo-
mento determinado cuando la corriente es (i) sería:
L =
L =
De' acuerdo con la fig_Ns 5, N'es el número de espi-
ras concatenantes con el tubo cerrado elemental de flujo 00
establecido en el espacio anular de permeancia infinitesimal
/ djí A, i es la corriente que al circular por las espiras da o -
rigen al campo magnético.
t
= (Ni)dA
L = / N dA7o
.27
FIGURA # 5
De acuerdo con la fig. N 5 puede verse que t a n t o • e 1
número de espiras como la permeancia del cicuito magnético son
funciones de la distancia (X). Por lo tanto es necesario en-
contrar expresiones tanto para N} Ij.como para A que nos deter-
mine su valor para cada valor de ( X ).
Asi:
N2 es el número de espiras del devanado de al.to vol-
. 2¡
taje, si la distribución fuera uniforme el número de espiras
en cualquier zona dX sería:
N.. = N2 dX
a2
El numero de espiras para X = ü es Nú'
El número de espiras para X = a2 es Np '
El número de espiras en la zona dX de la fig. N^ 7 es
9 /N'(X) =_Jil ; dX - 2/Np'- "Nu/\ 1 - X - O dX
1.
N'(X) = N2 dX - ( N p 1 - Nú-'- ) ( 1 - X ) dX
^ ' 2 ^
El número total de espiras de O a X será
Encontrada una expresión para el número de espiras,
es necesario hacer lo propio para A para esto:
A =
.29
• El área comprendida en el espacio dX y .de acuerdo
con la figura N2 6 es:
'FIGURA # 6
dAx = 2(Ro + x )lfdx
Nos faltaría encontrar únicamente la expresión que nos
determine l-f(X) de la figura N^ 5 encontramos que:
Ix = 2 -i- ( 1 - 2 ) )
Agrupando los resultados tenemos que:
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'2 \ / a2121 n
Sí:
B = (2NZ - a9Np' )
C = (Np1 - Nú 1 )
D =
rr „
n* a212
Reemplazando tenemos el siguiente valor de L?
.43
A n202 o
D2lnE - D2lnFD
2
D2 - D3lnE + D3lnF
+ ABC
(1)
2 oD3lnE + D3LnF
~ D3 -i- D^lnE - D4lnF )
A r2-f- ~ñ U
(2)
2 o,1 D D(.„ _ „ + __
D'2
D4lnF) 4 / 1a2 I 5
2A
_ -.5. r n5, r- D l n E + D l n F (3)
x 10_, 7
B =(2N2 + a2Nu' - a2Np ' )= 2(35715) -i- 0,11342 (92-1572)
^ 71.262,14
C = (Np1 - Nú') - (1572-92) = 1480
2 2 0 . 0 8 x TO - 1 2 , 8 0 x 10-T = O , 0621 62
...I
.44
r S211 0 , 1 1 3 4 2 x 2 2 0 , 0 8 x 10 3 nL - - — • •—• — — - U
11-12 2 2 0 , 0 8 x 1 Q ~ 3 - 1 2 , 8 8 x 1Q~ 3
F - &2 2 - 0 , 1 1 3 4 2 x 1 2 ; 8 8 x 1 0 - Jr - - - U ,
1,-19 2 2 0 S 0 8 x 10~3 - 12 ,88 x 10~3
— - 1 0 0 2 4 , 5 5
a2R = 0,11342 x 0,056 = 0,006352
~ - D + D2lnE - D2lnF = 0,4488
- 0,012864
- + D 2 - D 3 l n E + D 3 l n F = 0 ,305434
(D
10024,55 0 ,006352 ( 0 , 4 4 8 8 ) 4- 0 ,012864 ( 0 , 3 0 5 4 3 4 )
= 6 7 , 9 6 5 2
,45
( 2 )
ABC = 416 ,39
= 0 } 0 0 1 4 5 9
R = 0 , 0 0 0 7 2
2+ _ o3 -r D 4 l n E - D 4 lnF = 0 , 2 3 1 0 1 3
416,39 0^0072 (0 ,305434) -i- 0 ,001459 (0 .231013)
^ 0 ,231913
( 3 )
2 .- =: 8 ,6476992
= 0 , 0 0 0 1 6 5
R ' = O . 0 0 0 0 8 2L o
.46
D5lnE + D5lnF = 0,185639
8,647699 0,000082 (0,231913) + 0,000165 (0,185639)
_ 0,000429
= (1) + (2) + (3) = 68;197542
Se Ka determinado el valor de la inductancia de dis-
persión correspondiente al lado de alta tension} a continuación
determinaremos el valor correspondiente al -de baja tensión y
al del aislamiento principal.
De acuerdo con la fig. N2 7 se desprende q u e t
u
L dispersión = 2 (
FIGURA # '7
.47
, , , - . , ,2 1.5-63 x 10 3 . i n -7 x 54 x 10 3 n ,L1 ~ ( 3 5 7 1 5 ) — x 4 x 10 x • ^— = 0 , 63 220 x 10
-3 -3L = ( 3 5 7 1 5 ) 2 x 4 x 10~7 x 6 x 1G X' 57 x 1G '. = 7 77
220 x 10 ~3
L d i s p e r s i ó n - 2 (L
L d i spe r s ión = 2 ( 0 , 6 + 6 8 , 1 9 7 5 4 2 + 7 , 7 7 ) = 153 ,14 H
X dispersión = 2'\]^L disp = 57732,79 (Para N =
Si t o m a m o s N= N t e n e m o s el s i g u i e n t e valor
i= 2 ( 8 0 ) + 0 , 1 1 3 4 2 ( 9 2 - 1 5 7 2 ) = - 7 , 8 6
AB' =: 0,000244
( 1 )
0-,OD0244 0,006352 (0,4488) + 0,012864 (o?305434)
= 1 ,6542 x 1Ü~6
ABC = -0,045926
..48
( 2 )
-0 ,045926 0 , 0 0 0 7 2 (0 ,305434) -*- 0 ,001459 (0,231013)
r: 2 , 5 5 7 9 x 1Q~ 7
= 0 , 4 3 0 4 x 10 3
L q = 0,000003'
L = 0,000039
L dispersión = 2(1 -H L^ -t- L ) = 0?944S x 10"5
X dispersión = 2 . Ldisp .= 0,356181
Una forma de determinar que el valor de reactancia
de dispersión está dentro de rangos normales, es evaluar la
caída de tensión producida por la misma, valor que debe s&r
menor que un 12%.
sa/ _ X dispersión x I nominal
V nominal
e» = - 21 1 ST-x 22 7 ;
220
jr-
.49
£?á - 3,66
6. CALCULO DE LA REACTANCIA DE MAGNETIZACIÓN
La excitación total requerida para establecer un cam-
po magnético en el recorrido de una línea de fuerza completa es
igual a la integral de línea del campo a 1o largo del circuito
cerrado de dicha línea.
-e- - H¿e-* L
Si H está expresado en Amp-vuelta/cm. y 1 en cm. -O--** •
estará en Arnp-vuelta. En los circuitos magnéticas constituidos,
como en el caso de las máguinas por distintas trayectorias mag-
néticas, la integral puede constituirse por
H E
^ A los efectos de esta suma dividiré ni os el camino de
las líneas de fuerza en varios trayectos independientes, dentro
de cada uno de los cuales la indutfccipn puede considerarse
constante, o reducirse, al menos, a un valor medio equivalente,
para que el campo también sea constante.
Las trayectorias características que deben distinguir
™ se en un transformador son:
.50
- L a s columnas
- los brazos
En el presente caso puede simplificarse aún ni as es-
te cálculo, ya que es conocido .los volt-amperios necesarios
para alcanzar una cierta densidad de flujo 9.2 KGAUSS para
nuestro caso, habiendo sido determinado este valor a partir de
la prueba de circuito abierto.
Volt-Amperios de magnetización = 7.4 VA/Kg x 56.36 K<Gd
= 417.06 VA.
La corriente de magnetización en consecuencia será
i g u a l a : . 1
T - VA magnetización-L _ — ™ '
*V nominal
0 510 V
ir la reactancia de magnetización igual a:
V Domina1_io
23 9G 10623,98
7. CALCULO DE LA REACTANCIA C A P A C I T I V A
Cuando el termina], de un transformador es cargado re-
pentinamente por u n voltaje de impulso, la i nd uc t a n c i a del de-
vanado evita que la carga aplicada fluya inmediatamente al mis-
mo y si no fuera por la capacidad electros!;á" g ica de los elemen-
tos del devanado, quedaría cargado el terminal por un ti e rn p o .
relativamente largo, antes de que pudiera fluir mucha carga al o -
tro extremo del devanado.
Si.n embargo la existencia de capacitancias electrostá-
Cicas entre elementos del devanado permite que parte de la car-
ga pase a través de otras partes del mismo.
La capacidad electrostática entre dos electrodos de-
pende del material que llena al espacio entre ellos. Por ejem-
plo, si este espacio es llenado con papel en vez de aceite, la
capacidad se? aumentará aproximadamente al doble.
La mejor forma de solucionar este problema es conseguir
que las capacitancias a tierra sean tan bajas como sea posible
con respecto a las capacitancias distribuidas entre capas de bo-
binados .
.52
Existe además otro Tactor que debe ser considerado
que es el de la capacitancia tota.I del sistema, ya que puede
presentarse el caso de que ésta resulte ser demasiada elevada .
lo cual puede ser ca.usa que la rama paralelo del circuito e-
quivalente llegue a ser demasiado pequeña, lo cual traería
como consecuencia que en el peor de los casos el transformador
no pueda funcionar debida a que el sistema capacivo absorbería
toda la potencia de entrada.
Evaluación de la capacitancia total:
Para su evaluación consideraremos que el sistema
formado por las diferentes capas, es un sistema de placas para-
lelas donde:
r 9 f -A.OCotr a
Para determinar la reactancia capacitiva total no se
resolverá el circuito equivalente del sistema por' resultar de-
masiado complicado y por lo tanto se determinará la potencia
consumida por todos los elementos de esta red capacitiva y a
partir de ésto se determinará una reactancia capacitiva equi-
valente.
-Potencia (consumida) = •—•
i Xci
.53'
Potencia t o I: a 1 =
T . . .Icapacitiva
Potencia total
Voltaje nominal
vX cap = V o 1 1 a i e nominal
--'corriente c a p a c i t iva
Los resultados se resumen en la siguiente tabla:-
'-A vO KV*. '"'¿1í
A _-£l.
'
TA
BL
A
1. 2.
3.
4,
5.
6.
7.
8.
9,
10
.
11
.
12.
13.
14
.
CAPA
S N
2
1-
3
3-
5
5-
7
7-
9
9 -1
1
11-1
3
13-1
5
15-1
7
17-1
9
19-2
1
21-2
3
23-2
5
25-2
7
27-2
9
C
1,7
2 x
1,7
x
1,6
74
x
1,64
6 x-
1,6
14
x
1,5
78
x
1,53
9 x
1 ,5
09
x
1,49
x
1,46
8 x
1,44
x
1,41
6 x
1,38
7 x
1,35
6 x
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6
1,68
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6
1,75
7 x
10
6
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10
6
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2 x
10
6
1,91
1 x
10
6
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45
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36.
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1
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3
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Para comprobar que el valor de la reactancia capaci-
tiva no presenta el peligro se menciona anteriormente, se pro-
cederá a encontrar una reactancia equivalente entre las reac-
tancias de magnetización y capacitiva.
Potencia total ~ 233,53 w
233,53 wI capacitiva =
103 V= 2 , 3 3 x 1 0 A
X cap =10 V
2 , 3 3 x 1ü"2 A= 4 2 , 8 2 x 10 /¿
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v - T IX equivalente = — JXo
JXo + JXc
X equivalente - (-J 42,82 x 106) (J 23,98 x 106 )
J 23,98 x 106 - J 54,44 x 1 G J
3 I
X equivalente - J 5/4,44 x 106
Como se puede ver, el valor de la reactancia equiva-
len te es un valor m a y o r ciyj3_.e_I d_a .la r ej c tjajj cia de magnetiza-
.63
ción lo cual permite operar el transformador sin ningún proble--
ma, en lo referente a este aspecto.
8. CONTROL DE PERDIDAS
Las pérdidas que se producen en los transformadores
son fuente de calentamientos que elevan la temperatura' de sus
diversos elementos como son: devanados, aislantes y constitu-
yen por lo general la causa limitadora de la potencia que po-
dría ob tenerse .
De acuerdo con la naturaleza de 1las mismas y por su
localización se Igs puede dividir en:
- Pérdidas en el hierro
- Pérdidas en el cobre
- Pérdidas adicionales
Pérdidas en el hierro
Estas pérdidas son debidas a las variaciones de flujo
y pueden Gubdividirse en pérdidas' por histéresis y per el i das .por
corriente de Foucault. Tanto unas como otras se hallan afectadas
por la concentración autoinductiva. del flujo y por la distribución
.64
irregular de la inducción sobre cada sección plana del circuibo
magnético.
En ausencia de las características principales del ti-
po de material del núcleo estas pérdidas no serán evaluadas con
las fórmulas tradicionales , sino que se hará uso de los datos
obtenidos en la prueba de circuito abierto.
Peso del núcleo - 56.36 Kg.
Para obtener la densidad de flujo con la cual se está
diseñando este transformador (9.2 KGauss) es necesario suminis-
trar una potencia de 1,46 W/Kg. para la magnetización del hierro
Partiendo de estas consideraciones tenemos:
Pérdidas en el hierro = P hierro/Kg. 'x peso del núcleo
= 1 .46 W/Kg. x 56,26 Kg,
= 82,29 W.
Pérdidas en el cobre
- Pérdidas en el devanado de baja tensión:
.6.5
Conductor N^ 10
Resistencia / Km. - 4.09 -O. / Km. (valor c a J. e u 1 a d o
o 75°C)
Radio pro en e; c! i o cj e una espira - 6.0 c m .
Longitud promedio por. espira = 37.69 c m .
Resistencia'total del devanado = r / Km. x L p x N,
Rt = 4.09 -a/ Km x 37,69 — ~~- x — x 153 esp
- 0,244 -T2.
esp , n ^1 10 cm
Corriente a circular = 22.7 A.
Pérdidas I2 R r (22,7)2 x (o,244) = 125,73 W
- Pérdidas en el devanado de alta tensión
Conductor N^ 35
Resistencia / Km. - 663,57 -TI /Km,
(valor calculado a 75 C).
Radio promedio de una espira - 17.32 cm.
Longitud promedio por espira = 108.79 cm.
Resistencia total del devanado r 51,565 Kjl.
Rt r 663,57 ^-/Km x 108,79 cm x -JL-ÍSl— x 71420 esp = 51 ,565K;¿10 cm
Corriente a circular - 0.05 A,
P é r d i d a s I2 R r ( o ? O 5 ) 2 (51 ,655 x 1 Q 3 ) . = 129,13 w
.66
Pérdidas totales
P totales - Pr + P . + P „Fe cm1 crn2
Pt = 82,25 + 125,73 + 129,13 = 337,11
9. CONTROL DEL AISLAMIENTO
El ais lamiente] debe ser diseñado para soportar varios
tipos de voltaje:
- Voltajes normales de funcionamiento
- Voltajes de fallas del sistema
- Sobrecargas repentinas de conmutación
- Voltajes de descargas atmosféricas
- Voltajes de prueba
De entre estos voltajes el transformador gue nos ocu-
pa debe tener un aislamiento adecuado para soportar: voltajes
normales de operación y voltajes de prueba.
H ablando en términos generales, los materiales ais-
lantes poseen mucha más resistencia de la gue puede usarse, por-
que es prácticamente imposible diseñar estructuras de aislamien-
to que sometan a éste a una tensión uniforme. Las concentracio-
nes locales de tensión, más bien que los valores medios de la
'
.67
misma, son las que vencen la resistencia dieléctrica de las
estructuras aislantes y estas concentraciones locales están
determinadas por la configuración de la estructura.
Control de aislamiento para voltajes normales de
funcionamiento,
De acuerdo a la distribución de los bobinados y al
sistema de aislamiento adoptado tenemos que el campo eléctrico
del conjunto resulta ser complicado y para su estudio se nece-
sita de un programa digital o de un modelo que pueda ser estu-
diado en el laboratorio.
Es por esta razón que primeramente se hace un análi-
sis más sencillo del mismo, en cuanto a esfuerzos radiales y
tangenciales se refiere, para luego de lo cual si los mismos
están dentro de rangos permisibles pasar a hacer un estudio
más detenido del mismo,
Es fuerzos Tangenciales
Es el esfuerzo que se presenta en el sentido axial
sobre el papel y para su determinación se considerará el vol-
taje más elevado de cada capa y la distancia entre este punto
CALCULO' DE
ESFUERZOS RADIALES
Y TANGENCIALES
Columna. N° 1
•••
Columna N°
2 Voltaje
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16722,8
Capa N9
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Capa N^ 10
20494,4
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22317,2
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71
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74
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4,8
74
88
1,6
75
72
4,4
76
55
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77
36
8
78
16
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78
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79
72
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80
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48
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29
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6
8,2
62
Col
umna
N
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Cap
a N
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Cap
a N
2 67
Cap
a N
S 69
Cap
a N
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a N
S 73
Cap
a N
S 75
Cap
a N
S 76
Cap
a N
S 79
Col
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N
S 2
Cap
a N
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Cap
a N
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S 76
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Vol
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6
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6.8
8605
3,6
86
68
6,4
87
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0
88
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90
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1,6
92
24
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10
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10
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4
104,
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11
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11
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30
8,3
27
8,3
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8.3
02
Col
umna
NS
.1
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81
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Cap
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a NS
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umna
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2
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Cap
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88
- Cap
a N
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•
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5,6
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8 , 4
9490
7 , 2
9530
2
9568
2,8
9604
9 ', 8
9640
2,4
9674
1,2
9706
6
9737
6,8
9767
3,6
9795
6;4
9822
5,2
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. 11
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116
116,
7
117,
4
118,
1
118,
8
119,
5
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2
120,
9
121,
6 •
.
122.
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5
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1
8:2
T5
8,19
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81
8,1
62
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8,14
3
8,12
2
8,10
1
8,07
8
8,05
5
8,03
1
Col
umna
N
S 1
Cap
a N
2 97
Cap
a N
2 99
Cap
a N
S
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Cap
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S
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Cap
a N
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105
Col
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98
48
0
Cap
a N
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9
87
20
,8
. 9
89
47
, 6
Cap
a N
2 10
0 9
91
60
,4
99
35
9,2
Cap
a N
2 10
2 9
95
44
99
71
4,8
Cap
a N
2 10
4 9
98
71
,6
10
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Dis
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4,4
12
5,1
12
5,8
12
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'
12
7,2
130
13
0,7
Kv/
cm 8,0
06
7,9
8
7,9
53
7,9
26
7,8
98
7,8
69
7,8
39
7,6
82
7.6
51
.76
Es el esfuerzo que se presenta sobre el papel en el sentido ra-
dial y para su determinación se tomará en cuenta la máxima diferencia de
potencial existente entre capa y capa y el espesor de papel existente
también entre capa y capa ( que para todos los casos será de 2 rnrru ).
tos resultados se resumen en la siguiente tabla:
.77
T A B L A N S . 6
-
Capas N^
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
- 3
- 5
— 7
- 9
- 11
- 13
- 15
- 17
- 19
- 21
- 23.
- 25
- 27
- 29
- 31
- 33
- 35
- 37
- 39
- 41
- 43
- 45
Voltaje entre capasV
4358,8 -
4196,6
4023,6
3855,6
3687,6
3519,6
3351,6 • '
3097,6
3185,6
2974,6
2861,6
2749 , 6
2637,6
2525,6
' 2413,6
2315,6
2259,6
2203,6
2147,6'
2091,6
2035,6
1979,6
Esfuerzo RadialKv/cm
21,794
20,983
. . 20,118
19,278
^18,438
17,598,
16,758
15,488
15928
14,873
14,308
13,748
13,188
12,628
12,068
11,578
11,298
. 11,018
10,738
10,458
10,178
9,868
.78
Capas N2
45 -
47 -
49 -
51 -
5? -
55 -
57 -
59 -
61 -
63 -
65 -
67 -
69 -
71 -
73 -
75 -
77 -
79 -
' 81 -
83 -
85 -
87 -
89 -
47
49
51
53
55
57
59
61
63
65
67
69
71
73
75
77
79
81
83
85
87
89
91
Voltaje enbre capasV
1923,6
1867;6
• 1811,6
1755,6
1700,6 '
1 643 , 6
1587,6
1531,6
1475,6
1419,6
1363,6
1307,6
1251,6
1195,6
1139,6
1083,6
1027,6
971,6
915,6
859,6
803,6
747,6
691,6
Esfuerzo RadialKv/cm
9,618
9,338
9,058
8?778
8,503
8,218
7,938
7,658
• 7,378
7,098
6,818
6,538
6,258
5,978
5,698
5,418
5,138
4,588
4,578
4,298
4,018
3,738
3,458
.79
Capas
91 -
93 -
95 -
97 -
99 -
101 -
103 -
2 -
4 - -:
6 -.
8 -
10 -
12 -
14 -
16 -
18 -
20 -
22 -
24 -
26 -
28 -
N°
93
95
97
99
101
103
105
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Voltaje entre capasv '
635,6'
579,6 - •
523 , 6
467 , 6
- 411,6
355,6
285,6
425,6
41 07 , 6
3939,6
3771,6
3603,6
3435,6
3267 , 6
3141,6
3029,6
' 2917,6
' . 2805,6
2693,6
2580,6
2469,6
Esfuerzo Radial\í iKv/cm
3,178
2,898
2,618
2,338
2,058
1,678
1 ,'428
21,378
20,538
19,698
18,858
18.018
17,178
16,338
15,708'
15,148
14,588
14,028
13,468
12,903
12,348
.80
Capas N^ Voltaje entre capas Esfuerzo RadialV Kv/cm
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
* 58
60
62
64
66
68
£: 70
72
" 32
- 34
- 36
- 38
~ 40
- 42
- 44
- 46 -
- 48
- 50
- 52
- 54
- 56
- 58
- 60
- 62
- 64
- 66
- 68
- 70
- 72
- 74
2357,6
• 2287,6
2231,6
2175,6 "
' 2119,6
2063,6
2007,6
1951,6
1895,6
1839;6
1783,6
1727,6
1671,6
1615,6
1559; 6
1503,6
1447,6
1391,6
1335,6
1279,6
' 1233,6
1167,6
11,788
11,438
11,158
10,878
10,598
10,318
10,038
' 9,758
• ' 9,478
9,198
8,918
8,638
8,358
8,078
7,798
7,518
7,238
6;958
0,678
6,398
6,168
5,838
.31
Capas NS Voltaje entre capasv
74 -
76 -
78 -
80 -
82 -
84 -
86 -
88 -
90 -
92 -
94 -
96 -
98 -
100 -
102 -
76
78
80
82
84
86
88
90
9 2 '
94"
96
98
100
102
104
1111,6 '
' 1 0 5 5 , 6 .
999,6 .
943,6
. 887,6
831 ,6
775,6
719,6
663 , 6
607,6
551,6
495,6
439,6
384,6
327,6
Esfuerzo RadialKv/cm
5,558
5,278 , •
4,998
4,718
4,438 ' .
4,158
3,878
3,598
3,318
3,038
2,758
2,428
2,198
1,923
1,638
Valores aceptados para este tipo de esfuerzos son: es-
fuerzo radial - 20 KV/cm. esfuerzo tangencial = 5 KV/cm. pu~
cliendo ser mayor el esfuerzo radial; si la calidad del papel
en cuanto a esfuerzos dieléctricos lo permite.
De acuerdo con esto y considerando que los 'esfuerzos
tangenciales sobrapasan y en mucho este valor límite se pensó
modificar esta alternativa y para esto fue necesario hacer un
análisis de los resultados obtenidos.
10. CONCLUSIONES " ' . .
La distribución de bobinados adoptada presenta sus
ventajas y desventajas ya enunciadas anteriormente siendo ne-
cesario ahora hacer un análisis de las mismas.
La utilización de un solo bushing . presenta su ventaja
en el aspecto económico, por la disminución del costo del
transformador. El bobinado por capa puede ser realizada con
relativa facilidad, sin considerar el diámetro del alambre que
se utilizará, ya que cada capa se colocará sobre una de papel
ais1ante de 2mm. y se bobinará hasta cumplir con el número to-
tal de espiras por capa y este proceso se repetirá hasta al-
canzar el número total de capas.
,8-3
En cuanto a las desventajas se tiene que la presen-
cia de 100 K V . entre tanque y terminal de salida y el eleva-
do número de interconexiones hace necesario disponer de una
tecnología adecuada para realizar el aislamiento en las mejo-
res condiciones, factor que en la actualidad no se la puede
solucionar, con las facilidades que disponemos.
Los resultados obtenidas en lo que a los parámetros
del circuito equivalente se refiere puede verse, que los mis-
mos se encuentran dentro de rangos aceptables.
El control de aislamiento pone de manifiesto otro
de los problemas que esta alternativa presenta ya que los va-
lore-s de esfuerzos tangenciales son muy elevados.
Pesando estas características tanto positivas como
negativas que presenta la distribución estudiada se llego a la
conclusión de que ésta debía ser rechazada considerando prin-
Ocipalmente y corno factor de peso para esta decisión el alto
numero de interconexiones que debían ser realizadas.
.84
C A P I T U L O ' III
DISEÑO ELÉCTRICO (SEGUNDA ALTERNATIVA)
1. INTRODUCCIÓN -
Luego de la experiencia adquirida en el estudio de
la primera alternativa y teniendo mayores elementos de juicio
acerca de los principales problemas presentados, se inició un
nuevo estudio teniendo como punto de partida las siguientes
consideraciones;
- 'Para evitar el elevado número de interconexiones
y, consecuentemente, los problemas del aislamiento, se deci-
dió dividir al devanado de alta tensión en dos grupos? cada
uñó de los cuales nos proporcionaría un voltaje de 50 KV.
Como consecuencia de lo anterior, el tanque y el
núcleo trabajarán a un nivel de 150 KV. con lo cual se elimi-
na el problema.de tener 100 KV. entre 'tanque y terminal de
salida.
Para disminuir los esfuerzos tangenciales, el pa-
pel utilizado para el aislamiento entre capas será doblado so-
,85
bre cada paquete de bobinados de tal forma de aumentar la dis-
tancia de fuga y que los mayares es fuerzas'que se presenten so-
bre el papel en sentido, axial sean normales al mis ni o y no tan-
genciales.
Se debe indicar además que para el estudio de esta
segunda alternativa no se incluirán los puntos 2, 3 y 6 de la
anterior por ser invariantes con respecto al cambio de la dis-
tribución de bobinados.
2. DISTRIBUCIÓN DE LOS BOBINADOS
Esta distribución puede esquematizarse en la figu-
ra NS 1.
, ÍOOKV
210 V |l
200 KV
o
230 V. j Q
FIGURA NS 7
Teniendo como ventajas:
a) La presencia de sólo 50 1< V , entre masa y termi-
nales de salida.
b) tí La posibilidad de tener tres terminales de ba-
ja tensión.
Y como desventajas:
a) La necesidad de dos bushigs de 50 KV.
b) La necesidad de un devanado terciario.
DEVANADO TERCIARIO
Este devanado cumple con la función de eliminar el
flujo producido por una excitación desequilibrada, lo cual es
causa para que el punto de referencia tienda a defasarse de
su punto original.
Cuando un devanado está mal distribuido como es el
caso de la figura N2- 8,
Se tiene que:
©
"II
FIGURA # S
.87
N2
5- 1
z?~aj
f Y 12 +
= N T2
f = N TY 2
N I1 - 0
NT N+ i - 2
r^
I
Donde
Excitación total
Excitación correspondiente a la columna I
Excitación correspondiente a la columna II
Si
•G-a= O
-e-tt= o
.08
V2
"A* .
Pero como
= N I.
•0*= N IV
V,1 O'
Como puede apreciarse en los diagramas fasoriales,
esta mala distribución produce una excitación desequilibrada
la cual es causa de que eJ. punto O se desfase al punto O 1 , o •
casionando la presencia de un sobre voltaje de estado estable
sobre uno de los devanados; para corregir este problema se u-
ti1iza el devanado terciario.
.89.
Este devanado debe ser colocado como se indica en
la Figura N2 9.
fa.
3 - - -i-í
FIGURA N2 9
Para el caso a_ cuando el devanado trabaja con el
flujo principal su comportamiento es similar a los otros de-
vanados de baja tensión.
Y en el caso de que exista excitación desequilibra-
da éste se encarga de eliminarlo mediante la creación de vol-
tajes en oposición como puede apreciarse en el caso b_.'
Luego de haber justificado la presencia de este de-
.vanado pasamos a dar las características generales del mismo
y como va a estar conectado.
.90
Cado grupo do espiras colocadas sobre las co 1umnas
del núcleo debe estar en la posibilidad de soportar el volta-
je total del devanado de baja tensión y la mitad de la corrien-
te total del mismo.
Razón por la cual el número de espiras en cada co-
lumna debe ser de 158.
SECCIÓN
11 .35 A
rn ni
TT
\73.14
2,27 rn m'
1 ,7 mm
&. ; 1.
hstas características corresponden a un conductor
// 13 AWG de las siguientes características:
diámetro
Sección
-O./ Km
Kg/Km
Diámetro H
1
2
6
23
1
,83
.63
.53
.4
.9
mm
mm
mm
.91
A continuación de este devanado se dejará un espa-
cio de 4 mm , para circulación de aceite, el cual se formará
con una capa de papel aislante de 2.5 mm. y por barras de fi-
bra aislante. Sobre esta capa de papel se colocará el deva-
nado secundario.
DEVANADO SECUNDARIO
Este devanado está formado por dos grupos de bobi-
nados de 50 KV. por las razones mencionadas anteriormente y
se encuentra conectado como se indica en la Figura Ns 7.
Para la distribución de este bobinado se tomó en
cuenta las siguientes premisas:
Que el espacio ocupado por el devanado sea el
mínimo .
Que los esfuerzosj tanto radiales como tangen-
cia], es, sean lo más bajos posibles.
Para cumplir con lo expuesto anteriormente el ais-
lamiento debe ser diseñado en tal forma que éste se incremen-
te a medida que la diferencia de potencial entre dos capas va-
ya aumentando, corno consecuencia de lo anterior se debe esta-
blecer el valor de la máxima diferencia de potencial a la cual
se puede someter a una h o j a de p n p e 1 de 0.1 m m . , con lo c: u a 1
el espacio ocupado por e 1 c! e v a n a d o se re d u c e a 1 ni í n i m o , a s í
como los esfuerzos ra d i a 1e s se limitaban a un valor má x1mo .
Como se indicó al comienzo de este capítulo, para
disminuir los esfuerzos en sentido axial, el papel utilizado
para aislar las capas de bobinados debe ser doblado, para es-
to se d i. v i d i ó al grupo de 50 K V . en paquetes de tal forma que
la distancia entre bobinados y núcleo fuera i n c r ementándose
de paquete a paquete.
T o mando en consideración que la distribución depen-
de de varios factores sobre los cuales se tiene poder de de-
cisión, se pensó en un programa digital que nos permitiera en-
contrar diferentes distribuciones variando estos factores, y
luego hacer una selección de las mismas tomando en considera-
ción las premisas anotadas anteriormente.
P R O G R A M A DIGITAL
i
El presente programa digital a pesar de sus limita-t
ciones constituyó una herramienta de mu olía utilidad en la de-
terminación de la distribución que cumpliera con las caracte-
rísticas mencionadas anteriormente.
.93
Básicamente realiza un proceso repetitivo al variar
determinados parámetros que influyen directamente en la dis-
tribución de los bobinados, los cuales son: distancia de se-
guridad entre el primer paquete y el brazo del núcleo, la máxi-
ma diferencia de potencial a la que se puede someter a. una ho-
ja del papel aislante, y el voltaje por paquete que se desea
obtener. '
El programa en sí nos permite determinar las siguien-
tes características por paquete: •'
Longitud del paquete
Número de espiras por capa
Voltaje por capa
Número de capas de papel necesarias para cumplir
con el aislamiento entre capas de bobinados.
Número de capas de papel necesarias para alcan-
zar el voltaje preestablecido por paquete.
El espesor que presenta el papel al ser doblado
. en sentido axial,'. -
El espesor del disco utilizado para la sujeción
del papel doblado.
Radio del paquete.
Distancia vertical entre bobinado y brazo del
núcleo.
.94
Y finalmente, el número de espiras necesarias
p ara satisfacer la máxima diferencia d o p o t e n -
A cial adaptada.
Además, nos determina el voltaje de cada capa1 de. I
paquete así corno los esfuerzos que se presentan sobre el pa
pel y aceite en sentido axial.
LISTA DE VARIABLES
DS Distancia de seguridad
DELT Espesar del papel doblado
DIS Espesor del disco
VE Voltaje por aspira
DDP Máxima diferencia de potencial
D I A M Sección del conductor utilizada
L. T Longitud vertical de la ventana
S U M Valor inicial de voltaje por paquete
RI Radio inicial del devanado de alto vol-
taje
V P Voltaje por paquete
DVA Distancia vertical cíe aceite
LD Longitud disponible para realizar el
bobina c! o
.95
DV Distancia vertical entre devanado y
brazo •
£ L Longitud por paquete-^
' NEC Número de espiras por capa
V . Voltaje por capa
NCP Número de capas de papel entre dos ca-
pas de bobinados.
KP Variableauxiliar
NCPP Variable auxiliar
£ DDPP Variableauxiliar
NE Número de espiras para satisfacer la
máxima diferencia de potencial
NCB Número de capas de bobinados por paquete
NC Variable auxiliar
DELTA Variable auxiliar
PAC Pactor que es función del número de ca-
£ p a s d e b o b i n a d o s y q u e n o s d e t e r m i n a e l
espesor del papel doblado
• • R Radio del paquete
SCV Sumatorio de voltaje por capa
DVP Espesor total de papel doblado
ENA Esfuerzo normal sobre el aceite
ENP Esfuerzo normal sobre el papel
tA cont inuación se presentarán: el diafragma de flujo
,96
y 3 el programa con los resultados definitivos de la distribu-
ción de bobinados adoptada.se incluirá en el apéndice A.
DIAGRAMA DE FLUJO
X
\A DE DATOS:
VE3 DDP, DIAM, LT3 DOS
DELT, DIS
TOMAMOS DIFERENTES
VALORES
DO 50 J
INICIALIZAMO
DE DS
- 1,5
S EL VALOR
DE SUM, SUM = 0
INICIALIZAMOS
RADIO DEL
RI =
\
EL VALOR DEL
DEVANADO
65.3
ASIGNAMOS EL VALOR
DE VOLTAJE POR PAQUETE
VP = 10000
,97
CALCULAMOS LA LONGITUD
DISPONIBLE PARA EL DEVANADO
LD = LT-2 (DS)
HACEMOS VARIAR NUMERO DE PAQUETES
DO 40 K = 1,10
•^ LIMI1
\
CALC
CAL
•
AMOS NUMERO DE ITERACIONES \O 30 I = 1 ,5 ,
CALCULAMOS LONGITUD
ISPONIBLE DEL PAQUETE
L = LD - 2(DET + DIS)
ULAMOS NUMERO DE ESPIRAS
POR PAQUETE
NEC = L/DIAM
•CULAMOS EL VOLTAJE POR
CAPA
V = NEC X VE
CALCULAMOS EL NUMERO DE CAPAS DE PAPEL
NECESARIAS ENTRE DOS CAPAS
NCP = 2V/DDP
AJUSTAMOS EL VALOR
DE CAPAS DE PAPEL
CALCULAMOS EL NUMERO DE ESPIRAS
. PARA CUMPLIR CON DDP
CALCULAMOS EL NUMERO DE CAPAS
DE BOBINADOS PARA LLEGAR A VP
CALCULAMOS UN VALOR DE DELT DE ACUERDO A
LAS CARACTERÍSTICAS DEL PAQUETE
PAC = (NCB - 1,)/2
DELT' = (0.1 x FAC x NCP) +0.1
NO
CALCULAMOS EL RADIO DEL PAQUETE
R = RI + NCB x DIAM + DELT
CALCULAMOS LA DISTANCIA VERTICAL
DV = DV + DELT + DIS
.98
.99
HACEMOS ESCRIBIR:
L; NEC, V, NCP, NCB, DIS, DELT
R, DVP7NE
100
CALCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS
DE CADA CAPA
DO '100 N = 1 , NCB
CALCULAMOS EL SUMATORIO DE VOLTAJE
CUANDO SE INCREMENTA 1 CAPA
SCV = SUM + V
CALCULAMOS ESPESOR DE ACEITE Y
PAPEL ENTRE BOBINADO Y NÚCLEO
DA - DS
DVP = DVP- DA
CALCULAMOS EL ESFUERZO SOBRE
EL PAPEL Y ACEITE
ENA = 2 SCV/2DA + DVP
ENP = ENA/2
NO
SI
HACEMOS ESCRIBIR: SCV, DA,
ENA, DVP, ENP
NO
LD = L
.100
3. CALCULO DE LA REACTANCIA DE DISPERSIÓN
Por ser la distribución de los bobinados diferente
a la primera alternativa la evaluación de este parámetro se
la realizará en Forma también diferente.
De acuerdo con la Figura 10 tenemos que:
101
I —
F I G U R A N^ 10
n d
X
cL
\227fRxdxJo
,d
¿í*1
UlRx
a 1
ó a
2/ V r 1 Y- | A U A
.102.
a2 1I X33
2 i T R x N '2 ia 1
L = N z 2 l T R x1
Por consiguiente:
LT 2 irC Reí
R2 a2
Reemplazando valores tenemos:
LT = 2 x 4 x 10 10 x (158)2
196,6 6,5 x 62,05 + 56,4 x + 87,91 x
LT = 1.82 x 10 3 H
XD = 27T/ LT = 0;687 ft
La caída de tensión d e b i d o a es ta r e a c b a n c i a es:
XD INx 100
O 7 687 x 22 j 7 v -mn~ o'o'n X Í U U
.103
De acuerdo a lo expuesto en el capítulo anterior es-
ta caída de tensión está dentro de rangos permisibles, con lo
cual el valor de reactancia de dispersión es aceptable.
4. CA.LCULO DE LA REACTANCIA CAPACITIVA
Para la presente evaluación no se utiliza r-á el mé-
todo visto en el anterior capítulo, por resultar demasiada lar-
ga la evaluación,
En el presente caso se utilizará la definición de
energía almacenada en un capacitor.
Donde
-• I E" D dir = 1¿ ¿/IT
Wi=
Wi
1W total = y C equivalente. V nominal
Debido a que la geometría del bobinado varía de pa-
quete a paquete, la evaluación de la energía se la realizará
104
por paquete. Por característica propia de la distribución por
paquete bastará con evaluar la energía almacenada entre dos
capas del mismo y este valor multiplicar por un factor K que
depende de.l número de capas del paquete.
Paquete # 1
Voltaje por capa (V)
Capa # 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
134.54
269.08
403.62
538.26
672.80
807,34
941.88
1076.42
1210.96
1345,5
Capa # 2
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
2690,9
2556; 36
2421,82
2287 , 28
2152?74
2018,2
1883,66
1749,12
1614,58
1480,04
V por Grupo (V)
Max. Min.
1-20
2-19
3-18
4-17
5-16
6-15
7-14
8-13
9-12
10-11
2690.9
2421 .82
2152.74
1883,66
1614,48
1345,4
1076,32
807 , 34
538,16
269,08
2421-82
2152,74
1883; 66
1614,48
1345,4
1076,32
807 ? 34
538/16
269,08
0
d.
( mm 0
1
0.9
0,8
0,7
0,6
0.5
0.4
0.3
0.2
0,1
f~ /- ¿V/i - C0 tr E medio xAxl
2 1 / 7 2E medio = — l E ~ m a x - E'rnin
7E min
A = 2 1? Rmedio x
A V = d .
8 . 8 5 2 x 1Q ~1 4
crn
fcy = 4 (papel )
.105
Esfuerzo Dieléctrico(KV/cm)
1-20
2-19
3-18
4-17
5-16
6-15
7-14
8-13
9-12
10-11
viax.
26,909
26,909
26,909
26,909
26,909
26,909
26,909
26,909
26,909
26,909
Min.
24,2182
23,919
23,545
23,064
22,423
21,526
20,181
17,938
13,454
0
Esfuerzo al Cuadrado
Max,
724
724
724
724
724
724
724
724
724
724
Min .
586,5
572,1
554,3
531,9
502,7
463,3
407,2
321,7
181
0
EnergíaAlmacenada
F/KV2
2,10 x 10~9
1,86 x 10~~9
1,61 x 10~9
1,394 x 10~9
1,162 x 10~9
0,935 x 10~9
0,695 x 10"9
0,46 x 10~9
0,247 x 10~9'
0,0802x 10~9
'1-2 10.543 x 10' KV - F
.106
Voltaje por Capa (V)
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
Capa // 2
2690,9
2556,6
2421,82
2287,28
2152,74
2018,2
1883,66
1749,12
1616,58.
1480,04
Capa # 3
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
2825,44
2959,98
3094,52
3229,06
3363,6
3498,14
3632,68
3767,22
3901,76
4036,3
V por Grupo (V)
Max .
20-21
19-22
18-23
17-24
16-25
15-26
14-27
13-28
12-29
11-30
269,09
530,16
807 , 24
1076,32
1345,4
1614,48
1883,16
2152,64
2421,72
2690,8
Min.
0
269,09
538/16
807,24
1076,32
1345,4
1614,48
1883,16
2152,64
2421,72
d •
(mm)
0,1 -
0,3
0,5
0,7
0 , 9 -
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
Esfuerzo Dieléctrico' ( K V / c m )
Max.
20-21
19-22
18-23
17-24
16-25
15-26
14-27
13-28
12-29
11-30
26,909
17,938
16,144
15,376
14,948
14,677
14,488
14,350
14,425
14,162
Min.
0
8,969
10,7632
11,532
11,959
12;23
12,419
12,557
12,662
12,745
Esfuerzo al Cuadrado
Max.
724
321,7
260,6
236,4
223,4
215,4
209,9
205,9
202,9
200,5
Min,
0
80,44
115,8
132,9
143
1 49 , 5
154,2
157,6
1 60 , 3
162,4
EnergíaAlmacenada
F/KV2
0,085 x 1Q~9
0,157 x 1Ü~9
0,296 x 10~9
0,407 x 10~9
0,524 x 10~9
0,667 x 10~9
0,78 x 10~9
0,873 x 10~9
1,032 x 10~9
1,10 x 10~9
W 9 , = 5 , 9 2 1 x 10L.— J
K V - F.107
Paquete # 2.
13
15
16
13
15
11
13
J 7
ii10
Voltaje por Capa (V)
Capa # 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10901,94
11040,70
11179,45
11318,21
11456,96
11595,72
11734,47
11873,23
12011,99
Capa # 2
18
17
16
15
14
13
12
11
10
13260,79
13122,03
12983,27
12844,52
12705,76
12567,01
12428,25
12289,5
12150,74
V por Grupo (V)
Max .
1-18
2-17
3-16
4-15
5-14
6-13
7-12
8-11
9-10
2497,6
2220,09
1942,57
1665,07
1387,55
1110,05
832.53
555,03
277351
MIn.
2220,09
1942,57
1665,07
1387,55
1110,05
832,53
555,03
277,51
0
d
(mm)
1,7
1,5
1,3
1,1
0,9 '
0,7
0,5
0,3
0,1
.108 '
Lsfuerzo Dieléctrico(KV/cm)
Max.
1-18
2-17
3-16
4-15
5-14
6-13
7-12
8-11
9-10
14,68
14,80
14,94
15,13
15,41
15,86
16.65
18,50
27,75
Min .
13,05
12.95
12,80
12,61
12,33
11,89
11,1
9,25
0
Esfuerzo al Cuadrado
(Max.
215,5
219,05
223,28
229/12
237,69
251,67
277,24
342,28
770,06-
Min.
170,54
167,71
164,05
159,11
152,12
141,45
123,22
85,56
o"
EnergíaAlmacenada
F/KV2
1,32 x 10~9
1,16 x 10~9
1,003 x 10~9
0,996 x 1Q~9
0,834 x 10~9
0,523 x 10~9
0,366 x 10~9
0,215 x 10"9
0,107 x 1Q"9
W ^ = 6 , 5 2 4 x 10 9 « V 2 - F
P a q u e t e # 3
lí 15 IB
3
_1L_
11
**•
L_¿L_
3
5
i 13
7„
12
5
f
11 ,n™ ™—~ i u3 rr ""; ;;""" ""- s
.109
V o l t a j e p o r C a p a ( V )
1
2
3
4
5
6
7
8
9
C a p a # 1
22130,22
22258,09
22385,96
22513,82
22641,69
22769,56
22897,42
23025,29
23153,16
C a p a # 2
18
17
16
15
14
13
.12
11
10
24303,96
24176,09
24048,22.
23920,36
23792,49
23664,62
23536,76
23408,89
. 23281,02
V p o r G r u p o ( V )
M a x .
1-10
2-17
3-16
4-15
5-14
6-13
7-12
8-11
9-10
2301,6
2045,87
1790,13
1534,4
1278,67
1022,93
767,2
511,47
255.73
M i n ,
2045,87
1790,13
1534,4
1278,67
1022,93
767,2
511,47
255,73
• 0
ci
( m m )
1,7
1 > 5
. 1,3
1,1
0,9
0 3 7
0,5
0,3
0,1
Esfuerzo Dieléctrico(KV/cm)
1-18
2-17
3-16
4-15
5-14
6-13
7-12
8-11
9-10
Max .
13,538
13,633
13,769
13,945
14,206
14,613
15,344
17,049
25,573
Miru
12,034
11,93
11,8
11,62
11,365
10,96
10,229
8,524
0
Esfuerzo al Cuadrado
Max .
183,299
185,867
189.591
194,475
201,829
213,548
235,438
290.668
653,825
Min.
144,829
142,40
139,24
135,10
129,18
120,121
104,64
72,66
0
Energía .Almacenada
F - KV 2
1,26 x 1Q~9
1,107 x 1Q~9
0,807 x 10~9
0,655 x 1Q~9
0?5Q5 x 1ü~9
0,498 x 10~9
0:348 x 10"9
0,205 x 10~9
0/102 x 10~9
= 5,487 x 10"
CQ
'-
JC
JN
V/
l-
P-
V.
-J
fO
— i
Cj
<^
Cj
v>
jr
-o
ro
ro
ro
4^
ro
-^
oc
o^
jo
\4
>—
* co
ui
—
co
vji
ro
\V
jJ
—
O
CO
0\-
V
I — i
"-
4V
O—
.
p-
ÜN
CD
OV
jO
GN
vJ
D — -
-p-
O\Q
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MD
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D
—
N3
VJ
.£•
Wl
. O
N
VjJ
Vj
-I V
J Vj
-J
V>J
V>í
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Max .
1-16
2-15
3-14
4-13
5-12
6-11
7-10
8-9
14,05
14,19
14,37
14,64
15,05
15,81
17,57
26,35
Miru
12,29
12,16
11,97
1.1,71
1 1 , 29
10,54
8,78
0
Esfuerzo al Cuadrado
Max.
197,49
201,32
' 206,65
214,37
226,78 '
250,05
308,7
694,3
Min .
1 51 , 26
147,9
143,5
137,19
127,57
111,13
77,17
0
EnergíaAlmacenada
F - KV 2
1,303 x ICT9
1,123 x 1Ü~9 .
0,944 x 1Q"9
0,764 x 10~9
0,586 x 10~9
0,410 x 1Q~9
0,241 x 1Q~9 .
0,120 x 1Q~9
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13
11
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11
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Capa # 1
1
2
3
4
5
6
7
43040,93
431 80 , 33
43319,73
43459,13
43598,53
43737,93
43877,33
Capa // 2
14
13
12
11
10
9
8
44053,13
44713/73
44574,93
44434,93
44295,53
44156; 13
44016,73
V por Grupo (V)
Max .
1-14
2-13
3-12
4-11
5-10
6-9.
7-8
1951,6
1672,8
1394
1115,2
836,4
557.6
278,8
Min.
1672,8
1394
1115,2
836,4
557,6
273,8
0
d
(mm)
1,3
1,1
0,9
0,7
0,5
' °'3.
0,1
Esfuerzo DieléctricoKV/cm
1-14
2-13
3-12
4-11
5-10
7-8
vlax .
15,01
15,20
15,48
15,93
16,72
27,88
Min.
12,86
12,67
12,39
11,94
11,15
0
Esfuerzo al Cuadrado
Max .
225,36
231,26
239,9
253,81
279,82
777,29
Min.
165,57
160,59
153,53
142,76
124,36
0
EnergíaAlmacenada
KV2 - F
1,368 x 10~9
1,149 x 1Q~9
0,93 x 10~9
0,713 x 1Q~9
0,499 x 10~9
0,146 x 10~9
5 ,098 KV
W total = 2 10 .593 + 6 ( 5 , 9 2 1 ) + 5 ,92+6 ,524 , _H 7(6,524) + 3.487 + 6,524.
,o . 5,491+5,098
+ 6(5,098) x 10 9
W. . , = 456,845 x 10total
w, , , = cvtota 1
Cequivalente456 ,845 x 10 , r , o , , , nr 456, 845x10-1
* 10/3
Xc4-SU4T
C 58.063 x 10
COMPROBACIÓN DE QUE: EL VALOR ES PERMISIBLE:
XequiIX x jXj c j m
+ JXc J m
Xc XoS
Xequi. = 42,29 x 10
De acuerdo a lo mencionado en el capítulo anterior,
el valor es correcto.
5. CONTROL DE PERDIDAS
Pérdidas en el devanado terciario
1-14
Conductor # 13 AWG
Resistencia por kilómetro - 11 .74 -Q./Km
Radio promedio de una espira = 5.64 cm,
Longitud promedio de una espira - 35,43 cm.
Resistencia total del devanado = 11.74 -O./Km x
35,43' ££ 1Km , 316 esp = 1,3156.0.esp .n5
^ 1 O cm
Corriente a circular - 11,35 Amp.
Pérdidas I2R = (11,35)2 x 1.31 = 168.75 W
Pérdidas en el devanado secundario
Conductor # 32 AWG
Resistencia por kilómetro - 663?57" Si/Km
Radio promedio de una espira = 8,79 cm.
Longitud promedio de una espira ~ 55.23 cm,
Resistencia total del devanado = 663,57 _(~l /Km x
55323 cm 1Km 71430 esp = 26717 K J, y^ _ ^esp . 5
K 1 O crn
Corriente a circular = 0.05 Amp.
Pérdidas I2R = (0.05)2 x 26,17 x 102 n 65?44 W
Pérdidas en el devanado primario
Conductor # 10 AWG
Resistencia por kilómetro ~ 4.09 JT2. /Km
Radio promedio de una espira - 11.6 cm.
Longitud promedio de una espira ~ 72.88 cm.
Resistencia total del devanado - 409 -TI /Km x
72,88 cm ^ 1 Km 158 esp = 0,47_O_5 A
i u cm
Corriente a c i rcu1 a r = 22.7Amp.
Pérdidas I2R ^ (22,7)2 x 0,47 = 242,7 W.
Las pérdidas correspondientes al hierro son las mis-
mas evaluadas en el Capítulo II, por lo cual no se realiza es-
te cálculo nuevamente.
Pérdidas totales = 559.18 W.
6. CONTROL DE AISLAMIENTO
Este estudio se desarrollará en forma similar al rea-
lizado para la alternativa # 1, razón por la cual se iniciará
con un análisis de los esfuerzos promedios que se presentan
sobre el papel y aceite, tanto en sentido radial como axial,
ESFUERZOS RADIALES
Para el estudio únicamente se rea1izará el cálculo
de los esfuerzos que se presentan entre dos capas de cada pa-
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9,45
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8,21
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1159
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1173
4,47
1187
3,23
12
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12
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6
1256
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12
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0,7
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Max
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7-12
8-11
9-10
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22
20
,09
19
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16
65
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1387
,55
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,05
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3
555,
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1
Min
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1110
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Max
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14,8
0
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4
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3
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1
15,8
6
16
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18,5
0
27
,95
Min
.
. 13
,05
12,9
5
12,8
0
12
,61
12
,33
11,8
9
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T— o] rA <t LT\D r —
.123
Los resultados de los esfuerzos que se presentan en
sentido axial tanto sobre el papel como sobre el aceite, pue-
den verse en los resultados correspondientes al programa digi-
tal.
Se presentarán además los resultados correspondien-
tes a los esfuerzos tangenciales que se presentan entre termi-
nales de paquetes consecutivos y de éstos con respecto al bra-
zo del núcleo.
V Capa #
7
16
25
35
8
17
26
36
7
8
16
17
25
26
35
36
42
43
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31208.74
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32259,54
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V Capa #
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50000
___
___
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16-25
25-35
35,42
8-17
17-26
26-36
36-43
11333,78
10455,17
10638,59
7884,78
11239,17
10357,18
10541,99
7098,47
9419,79
10763,19
20753,57
22002,36
31208.74
32359,54
41847,33
42901,53
49732,11
50000
d (mm)
98
98
97
96
98
98
97
96
190
190
270
270
350
350
410
410
478
478
(KV/cm)
1,156
1,066
1,096
0,82
1,146
1,056
1,086
0,739
0,495
0,566
0,768
0,814
0,891
0,924
1,02
1,046
1,04
1,046
.124
Luego de haber determinado que los va1ores promedio
de los esfuerzos que se presentan en el papel y aceite, en'sen-
biclo radial y axial están dentro de rangos permisibles, se pa-
só a realizar un estudio del campo en un modelo bidimensional
debe señalarse que un programa digital permite realizar un a—
nálisis más detallado del campo eléctrico, y esto no fue posi-
ble realizarlo por no disponer del mismo,
El modelo consiste básicamente en establecer una co-
rrelación entre permitividad y conductividad; para lo cual se
utiliza papel semiconductor y pintura de plata, simulándonos
éstos, el -material aislante y las partes activas respectiva-
mente .
Para esto debe ser realizado un dibujo en corte y a
escala del elemento en estudio, en la' cual las partes activas
deben ser pintadas con plata, y cuando existe más de un media
aislante este cambio de medio debe ser simulado de acuerdo a
la relación de permitívidades que existe entre éstos; utili-
zando dos, tres o más papeles según sea el caso,
Nuestro modelo puede observarse en la figura // 11,
en la cual se ha representado tínicamente la cuarta parte de la
vista en corte del transformador a escala 3:1 ,
El estudio consiste en dibujar las líneas equipoten-
ciales del 10?á, 20ÜÓ, 3070, 40% y 50?¿ correspondientes al cua-
dranbe en estudio y de esta manera determinar primeramente si
existe concentraciones de líneas en algún sibio y de acuerdo a
la relación.
E = Al
Determinar valores del campo eléctrico.
•Vale indicar que muchos problemas relacionados con
campos eléctricos son simplificados haciendo uso de las líneas
equipotenciales.
Una línea equipotencial es aquella en la cual el vol-
taje es el mismo en cualquier lugar de ésta, si dos punbos c u a 1 -
quiera de esta línea tienen el mismo potencial quiere decir que
entre éstos existe una diferencia de potencial cero, lo cual im-
plica que el campo eléctrico a lo largo de la línea tangencial
a cualquier punto es cero, por lo cual el campo eléctrico debe
ser siempre perpendicular a la línea equipotencial. .
De acuerdo con las líneas equipotenciales obtenidas
y que pueden apreciarse en la fig. #11, los valares de campo
r
eléctrico para los puntos indicados son:
- Punto A
A V = 1Q?á
A X ~ 15 mmc rn
- Punto B
& V - 1 O ?ó
A X - 9 mmE = 10 KV
0.3 c m= 33,3 KV/cm,
Punto C
A V - 1 O ?i5
A X r 1.8 mmE =
0,6 cm
Punto D
A V - 1 O ?á
A X = 24 mm
10 KV~rT"o ---O , 8 c rn
, ,/w/,5 KV/cm.?
Punto E
A V - 1 O %
A X - 36 mmE n —J4-±JL- = 8,33 KV/cm
1 , 2 c m
Punto F
A V = 10?á
A X = 30 mm
rr _. 10 KV
1 cm
.127.
Punto G
A V = 10?¿
A X = 33 mmF — 10 KV
1 ,1 cm= 9,09 KV/cm
Punto H
V = 10%
A X = 37,8 mm¡r _. 10 KV
1,26 cm= 7,93 KV/cm
Punto I
A V = 10?á
A X = 33 mmE =
10 KV1,1 cm
= 9,09 KV/cm
P LI n t o J
A V = 10?¿
/AX - 36 mmE = 10 KV
1 , 2 cm= 8,33 KV/cm
Punto L
A V = 1 G ?á
¿X = 42 mm
10 KV1 , 4 cm = 7,2 KV/cm
Punto M
4 v = i o %
4 X = 42 mm
10 KV1 ,4 cm
-7,2 KV/cm
- Punto N
= " r 10 KV . „, , !/u/E ~ n b = 1 1 , 1 KV/cmv - o-? " U , 9 cmX = 27 mm J
De acuerdo a la figura # 11, las líneas equipotencia-
les correspondientes a la forma de electrodo adoptado y a la
distribución de bobinados no presentan ninguna concentración, y
de acuerdo a los valores de c-ampo eléctrico calculados se tie-
ne que los puntos en los cuales éste es más elevado correspon-
den al A y B . .
Vale anotar que con las formas que tenía el electro-
do anteriormente se alcanzaba valores de 50 KV/cm y más; con
los cuales no se podía trabajar. De acuerdo con 1as caracte-
rísticas del papel que se va a utilizar los valores encontra-
dos de esfuerzos están dentro de límites permitidos.
Debe indicarse que en la realidad las líneas equipo-
tenciales di ferirán un tanto de las encontradas especialmente
en las zonas; o, p > q, r debido a que el modelo esquematiza
únicamente una línea que representa un potencial determinado
del bobinado,.pero en la realidad se tendrá un conjunto de con-
ductores los cuales harán que las líneas equipotenciales se
•desplacen en sentido vertical, para empalmarse en los puntos
.129
x, y, z, u lo cual favorecerá en lo que respecta al- esfuerzo . -
que se tiene al momento en el punto B.
7. CONTROL DE CALENTAMIENTO
• _ El sobrecalentamiento estacionario que se' presenta
en un objeto homogéneo en el cual las perdidas internas son co-
nocidas, depende de un factor denominado factor de transferen-
cia de calor (h), el cual ños determina la diferencia de tem-
peratura necesaria entre el objeto y el medio ambiente para
que exista una transferencia de calor.
Para el presente estudio se considerará al transfor-
mador, como un objeto homogéneo? y se lo enfocará hacia la de-
terminación del factor h el cual depende de las característi-
cas y modalidades de refrigeración utilizada.
La transferencia de calor del transformador al medio
ambiente se la realiza en tres formas diferenbes: conducción,
radiación, y convección.
La cantidad de calor transferida por conducción es
mínima, debido a que las superficies del transformador solo es-
tán en contacto con el aire cuya capacidad de conducción es des-
.130
preciable.
El factor de conducción de calor del aire con pre-
sión normal y 20° C es A = 0.026 w/Ccím , para transfe-
" 2rir la cantidad de calor de 1 W/dm se necesita de una diferen-
cia de temperatura de 400 C.
La ecuación utilizada para determinar este valor' es
la siguiente:
P y 1t-
donde:
p pérdidas en (W)
^t diferencia de temperatura entre las superficies
en consideración.
1 longitud del canal de conducción del calor (dm.) •
A sección del canal de conducción (dmJT
_A factor de conducción del aceite el factor de con-
ducción del calor.
Para el caso del aceite el factor de conduce j. ón de
calor es 6,5 veces superior al correspondiente al aire, para
este caso la diferencia de temperatura necesaria sería de 62 C
Considerando- que esbos valores son demasiado grandes •
esta forma de transferencia de calor no debe ser considerada.
• -' -Radiación' .
Según -la ley de Ste Tan Boltzmann el calor desprendi-
do por radiación por unidad de la superficie y por unidad de .
tiempo es :
Q c hrad x £ x (T4 - T4 )Trad. ' L .
donde :
hrad = 5,77 x 1 Q~1 ° W/dm2 °K4
T,, = temperatura absoluta del transformador
T? - temperatura absoluta del ambiente
£ - es un factor que depende de la calidad y color
de la super ficie . radiante . Para cuerpos ne-
gros C = 1 j para cuerpos con pintura de a-
luminio c = O , 55
Si T, - T « no es muy grande se puede escribir que:
Tí - T2 = (T'i - T2} (T13 + T12 T2
.132-
(T1 - T2)
Reescribiendo la ecuación oríginal se tiene que
h rad. ^ 19,6 x 10'W T1 + T2
^ t/dm K
En la cual: E =.'0,85
hr corresponde al "factor de radiación, el cual como
puede verse en la ecuación varía con la tercera potencia del
valor promedio de la temperatura absoluta del transformador y
ambiente.
Suponiendo que :
= 2GU C
T1 = 60" C
293 K
333 K
Y considerando además que estos valores no varían l
significativamente en la práctica podemos considerar a este
factor como constante, siendo su valor igual a:
h rad = 6 x 10' W/dr
133
Por lo tanto el calor transferido por radiación 1
seg. y por una superficie de 1 dm. es:
= 6 - x 1G~2 7- • • (T, - T?dm ° C
A continuación se darán algunos valores para dife
rentes T - T -
srad4G° C 2,4 w/dm2
5Q° C 3 w / dm2
75° C 4,5 w/dm2
Convección
Es bastante difícil encontrar valores confiables pa-
ra el factor de convección debido a que este depende de varios4
factores de difícil identificación y valoración, (caracterís-
ticas de gas ambiental, temperatura de la superficie).
De acuerdo con la naturaleza de convección la tempe-
ratura de la -superficie no es la misma en todas partes, Si
.134
el flujo de gas es natural por el efecto de chimenea el flujo'
es laminar, en caso de flujo por ventilación artificial el
flujo es turbulento, y en los dos casos el factor de convección
es totalmente difer.ente . /
En base de experimentos, para el caso del flujo lami-
nar y para temperaturas que.ocurren en la práctica se pue'de a ~
ceptar el siguiente valor:
h convección ~ 2,35 x 10-2
i ndm • C
- •Q aire zu
S a i r e peso específico del aire
A t sobrecalentamiento de la superficie que
entrega calor.
2Si o aire - 1,2 Kg/m tenemos que:
A t (°C)
40
50
75
h convección (W/dm C )
6.5 x 10'
6,9' x 10
7.6 x 10'
-2
.135
Como ^convección - h convecc. x At, tenemos que
la cantidad de calor transferida por convección a través de u-2
na superficie de 1 dm. y en el tiempo de 1 seg.
A t C ^ j - c o n v e c c i ó n ( W / c l m )
40 ' 2 ;6
50 3 ,45
75 ' 5 , 7
De acuerdo con esto puede. considerar se útil 'cual-
quier superficie que está en contacta con el flujo de aire , se-
gún las experiencias puede tomarse en cuenta superficies hori-
zontales como -por ejemplo tapas de tanques,
Como consecuencia de lo expuesto anteriormente la
cantidad de calor transferida por radiación y convección debi-
do a refrigeración natural es:
Q total --(radiación + convección
A t ( ° C ) - t o t a l ( W / d m 2 )
40 5
50 _ 6,45
75 10,2
Convección en el aceite
.136
En el aceite se tiene que:
h convección - 45 10' W/drn °C
A t diferencia de temperatura entre las superficies
que entrega calor y el aceite.
to:
En la práctica At varía entre 10 y 20 C por lo tan-
10
15
20
h convección
-2
(W/d
80 x 1
18 x 10
95 x 10
-2
-2 '
Debido a la cantidad de calor transferida por radia-
ción es despreciable para este caso, se tiene que la cantidad
de calor transferida por convección es la total y es igual a:
t °c
10
15
20
^total
8
1 3 , 2
19
(W/di
Dado que en un cuerpo activo determinado puede ser
evaluado la cantidad de color transferido por unidad de área
la temperatura que se presenta sobre el mismo puede ser calcu
la d'a .
4/5
- Caída de temperatura en la superficie del devana-
do de Alto Voltaje.
Pérdidas resistivas en un devanado de alto voltaje
= 32?71 VI
2Área en la superficie del devanado = 1156,89 c'm
"5 ? 71 W ' • 9disipación = J •' =— = 0,02828 W/cm
1156,89 cm
Y aplicando la última fórmula:
2A t = -19- Q d o n d e n = 2 , 8 2 8 W / c l m 2
\5 I t
Tenemos: A t _ 4,35 C
- Temperatura máxima dentro del devanado de Alto Vo1
taje.
.138
Pérdidas resista.vas = 32,71 W
2Área media del devanado - 920,22 cm
disipación = — Lll — = 0,0355 W/cm2
920,22 cm2
q = 3,55 W/dm2
At= 5,219° C
Temperatura máxima en el devanado = (33 + 5,219) C =
38,219° C
Caída de temperatura en el devanado de bajo voltaje
Pérdidas resistivas - 121,35 W
2Área en la superficie del devanado = 1255,149 cm
1 ? 1 "3 S W ?d -_. . f l £. \ ^> J li _ r i r i , _ / ¿.isipacion - í K- - 0,0965 w/cm
1255,149 cm
r: 9;65 w/dm2
= 11 ,61° C
Caída de temperatura en la superficie del devana-
do t recia rio.
Pérdidas resistivas = 84,32 W
'139
2Área en la superficie del devanado - 726,34 cm.
i _0 = 0,116 w/cm2Disipación = ? = o 3
726,34 cm
Q = 11,6 w/cm
z: 13,45° C'
Caída de temperatura en la superficie del Núcleo,
Pérdidas en el hierro -82j29
Área de refrigeración: aonsid eraremos en este ca-
so el área de mayor temperatura en el núcleo? es-
to es la superficie formada por el apilamiento de
las láminas.
2Área de refrigeración - 2620 cm .
Disipación = -2j29 = 0,03139 w/cm22620 cm
Q-= 3 ? 1 3 9 w / d m 2
/\ ^ 4 , 7 3 ° C
Temperatura máxima en el núcleo
De acuerdo al punto anterior tenemos que;
= 3,139 w/dm2
Para el caso de un sólido se debe considerar la si-
guiente fórmula:
At ,
donde :
A espesor del núcleo
Áo
coeficiente de refrigeración w/dm ' C
Para el caso del acero ;v_ = 1 ? 8 w/dm- C
A = 0,9 dm
Por tanto:
X °'9 - = 1 , 5 6 9 5 ° C1 , 8
Tempera tu ra máx ima en el núcleo ^ 3 2 + 1 . ,5695
= 33,5695° C
.141
8. DISEÑO DEL TANQUE
Cuando un" transfarmador de baja potencia de salida
es sumergido en aceite- se produce la circulación natural del
mismo debido- a su contacto con las superficies calientes,dé-
los devanados- y núcleo, que provocan un flujo descendente del
aceite en las cercanías de las paredes del tanque, transpor-
tando él calor hacia e-1 lugar donde- el efecto d.e la refrigera-
ción del aire circundante al tanque mantenga la temperatura
dentro de limi.tes requeridos.. Es. convenierrt.e dejar una cáma—
ra de aire su f iciente-- entre la tapa 'y el aceite para permitir
que éste comprima o, d.ilate; el aire encerrado.. La superficie
a ser cons id.erada para la. refrigeración es e-1 área total ver-
tical más la mitad: d.e-1 área: de- la. tapa«
De acuerdo con lo mencionado en e-1 estudia, de- sobre-
calentamiento- el factor d.e- transmisión d.e.- calor considerando/
radiación y convección para, un incremento de temperatura d.e
50°C es: Q ~ 6,4.5" w/d.nrZ
Con- lo cual y conociendo las. pérdidas totales a di-
siparse tenemos;::
W totales- = 559,.ia w
.142
S = » bótales ' 559,10_w
Cl • . 6,45 w
Siendo ésta ? la mínima área que deba tener el tanque
para que no se produzcan sobretemperaturas mayores a 50 C.
Tomando en cuenta la disposición física del conjunto
núcleo devanados las dimensiones son las siguientes,
Por no haber encontrado en el mercado bushings que
cumplan con las características básicas como son':
a) Voltaje nominal = 50.000 V.
b) Para trabajar en interiores
Fue necesario imponerse las dimensiones, en base de
la experiencia, las cuales se indican a continuación:
r
DIMENSIONES
MÍNIMAS
DEL TANQUE
EN BASE
DE LA UBICACIÓN FÍSICA DE LA ESTRUCTURA-
FIGURA
# 12
Las mismas que deberán ser modificadas si es necesa-
rio en base de los datos reales, siendo el proposito de este
punto dejar sentado la base del diseño del tanque.
De acuerdo con'la figura # 12 tenemos que:
Altura del tanque = 65 cm.
Diámetro del tanque ~ 90 cm.
Se debe señalar que se ha tomado como distancia mí-
nima entre devanados y tanque 50 mm. , siendo necesario dejar
en la parte inferior una distancia de 100 mm. como previsión
de la "capa de sedimentos que inevitablemente se forma en el
fondo del tanque de transformadores sumergidos en aceite,
Los bushings en número de dos serán colocados en la
r
.144
cara lateral del tanque y soportados sobre tubos en la forma
que se indica en el plano correspondiente.
Debido a que el tanque trabajará a un nivel de vol-
taje de 150 !<V. los perfiles de éste deberán ser redondeados
en lo posible, para reducir al mínimo el efecto corona que
puede presentarse, y deberá ser colocado sobre soportes ais-
lantes que cumplan con el nivel de voltaje y los requerimien-
tos mecánicos. Por no haber dispuesto de ningún tipo de in-
formación sobre estos soportes aislantes en el presente tra-
bajo no se incluye la forma como se acoplarán tanque y sopor-
tes.
El espesor de la plancha de acero será de 3 mm. to-
mando en consideración para determinar este valor la presión
que ejercerá el aceite sobre el tanque en el caso de una falla
interna.
- Peso aproximado del tanque, incluyendo la cubierta.
Pt . Vt x densidad de la plancha
C a c e r o = : 7 , 8 K g / d m
Vt = espesor (área lateral + área de la tapa y fondo)x
acer o .
,145
Pt =: 72,77 Kg.
~ Determinación del volumen y peso del aceite.
Volumen del tanque hasta nivel de aceite . 318 dm
1 , 1 I T f -I ,? O ) J* U K O - 7 ' V / - _ J - - ) .Volumen del núcleo - =? = / , ¿o dm. ' - 7;65 Kg/dm
*? O *? I/ *"
Volumen de los devanados - - - - - = - 2 3 5 d m
8,9 Kg/dm3 .
Volumen del aceite = 308,2 dm
C/aceite = 0,898 Kg/dm3
Peso aceite = 276,78 Kg.
- Peso aproximado del transformador sin incluir el
peso de los bushings.
Peso núcleo = 56,36 Kg.
Peso del devanado = 22>3 Kg.
Peso_ del tanque = 72,77 Kg.
Peso del aceite = 276,78 Kg.
Peso total = 428,21 Kg.
.146
Determinación del radio mínimo para que no se pro-
duzca corona:
Tomaremos 'como modelo para el cálculo al transfor-
mador en funcionamiento; en estas condiciones nos imponemos
como distancia mínima entre tanque y conductores de cualquier
circuito d = 1 m .
En base a esto y considerando un valor de esfuerzo
dieléctrico de E = 20 KV/cm. Tenemos:
Ve = Ec ¿ m r ln — Ir /•
V c voltaje de iniciación de corona
Ec gradiente disruptiva del aire
d densidad del aire
m factor de rugosidad
r radio del conductor
d distancia entre' conductores
= 0,386 X273 + t°C
16 ~ - PQra- h = 280°b = 10
b = 376,18
</'= 0,495'
m = 1
150 KV = 20 —!-l — x 0,495 x r In ——
, c , c i 100 '1 5 ,1 5 - r 1 n
Resolviendo la ecuación el valor de r debe ser mayor
o igual a:
r ~ 5 j 1 c m .
Valor a tomar r ^ 6 cm.
.148
C A P I T U L O I V - '
ASPECTOS CONSTRUCTIVOS,
1. FABRICACIÓN DE LOS DEVANADOS
Como se indicó en el punto correspondiente a la 'dis-
tribución de 1 os bobinados, el devanado terciario es el que se
colocará junto al núcleo para lo cual es necesario construir
un molde de dimensiones iguales a la columna del transforma-
dor, el mismo que puede ser de madera Formado por dos piezas "
en forma de cuña como se indica en la fig- # 13, de forma que
en todos los lados conserve las dimensiones de la columna, es-
tará sujeto por pernos accesibles que permitan una fácil manió-
brabilidad.
Sobre el molde se procede a colocar barras de fibra
aislante de dimensiones (270 x 9 x 9) mm. las cuales en núme-
ro de 12 formarán el espacio para la circulación del aceite,
éstas podrán estar repartidas en grupos de tres por cada lado
cuidando de dejar el espacio suficiente para la circulación del
aceite en especial en las esquinas, por experiencia anterior
se recomienda que en las esquinas se coloque láminas de papel
aislante de igual espesor que las barras y con"la curvatura
149
conveniente; de modo de garantizar una separación uniforme en-
tre devanados, sobre éstas se colocará una capa de papel de
3 mm. .
El devanado terciario estará formado por dos capas
de conductores aisladas entre sí por una capa de papel aislan-
te de 1 mm., se deberá dejar un espacio de 3677 mm. entre el
brazo y devanado, sobre la segunda capa de bobinas se coloca-
rá otra capa de papel de 1 mm. únicamente con fines mecánicos.
A continuación de este devanado se colocará nueva-
mente las barras de fibra aislante para formar un nuevo espa-
cio de circulación de aceite, las dimensiones de las barras
serán de (270 x 5 x 4) mm. la forma de colocarlas ser'á similar
a lo indicado anteriormente, sobre estas barras se colocará
una capa de papel de 2., 5 mm,
Las láminas de- papel que conforman estas capas deben
ser pegadas con resina resistente al calor y aceite.
Sobre esta capa de papel se colocará el devanado de
alta tensión el cual estará repartido en la forma que se indi-
ca en los resultados del programa.
.150 '
Forma de interprebación de los resultados: Si por
ejemplo se ha obtenido los siguientes resultados en lo refe-
rente a las características del paquete.
Número de espiras por capa
Número de capas j$®g: papel
Número de capas de -bobinas
30
12-
5
Número de espiras dado por la diferencia de potencial 10
Por tratarse de interpretar los resultados en lo que
se refiere a la parte constructiva, no es necesario especifi-
car más características del paquete.
ESQUEMA REPRESENTATIVO DE LA DISTRIBUCIÓN DEL BOBINADO
DE ALTA TENSIÓN
FIGURA # 14
O^CQQ/oonoO'xoa
•.15-r-
De acuerda al gráfico puede darse cuenta que a medi-
da que se incrementa- un número determinado de espiras se colo-
ca una nueva capa de papel; en esta parte debe ponerse mucho
cuidado, en especial' en el. número de espiras de grupo por ca-
pa, debido a que la di visión del número total.de espiras por
capa por el número de grupos, el resultado no es un número exac-
to y se halla redondeado al número menor inmediato.
El número de grupos por capa es igual a la mitad del
número de capas de papel, se indica esto ya que en los resul-
tados del programa no se halla especificado este dato en forma
explícita.
En consecuencia el producto de grupos por capa el nú-
.mero de espiras por grupo no corresponde al número total de es-
piras por capa, esta diferencia de espiras deben ser colocadas
en los grupos intermedios y no en los de los extremos debido
a que el esfuerzo dieléctrico que se tiene en estos puntos es
elevado y no es conveniente incrementarlo más.
Se recomienda que para el :
Paq.uete # 1. La diferencia de espiras es de 1 por
lo tanto esta espira deberá ser colocada en cualquiera de los
grupos intermedios 5 o 6 si es posible.
.152 •
Paquete # 2 . En este paquete debe precederse en
forma similar al anterior.
Paquete #. 3 . La diferencia es de tres espiras las
cuales deben ser colocadas una por grupo en los grupos del me-
dio 4-5-6 si es posible.
Paquete # 4. En este paquete debe procederse en
forma similar al paquete 1 y 2.
Paquete # 5, En este paquete se tiene una diferen-
cia de 4 espiras las cuales deben ser colocadas en lo posible
en los grupos 3-4-5-6.
En éste debe tenerse cuidado en la última capa ya
que ésta tendrá únicamente 192 espiras por lo tanto dos grupos
en la capa,
Para proceder a doblar el papel eshe deberá ser cor-
tado como se indica
.153
A continuación de este devanado se colocará el de
baja tensión el mismo que tendrá-unión galvánica con el deva-
nado de alta, en otras palabras este devanado trabajará al ni-
vel de voltaje de alta, tensión.
El mismo estará conformado f>or tres capas de bobi-
nas las cuales estarán aisladas entre sí por una capa de pa-
pel de 1 m m - , sobre este devanado se .colocará una superficie
equipotencial' de la cual se hablará más adelante.
Las características generales de los devandos y sus
dimensiones pueden aprecirse en los planos # 3-4.
.154 .
Para evitar desplazamientos axiales de los bibina-
dos se colocará cuñas de papel en las esquinas de la ventana.
'
2. FABRICACIÓN DEL TANQUE Y COLOCACIÓN DEL NÚCLEO EN
EL MISMO • •
El tanque es de acero del espesor indicado en el p u n •
to correspondiente al diseño.
Los tubos sobre los cuales se asientan los bushings
deberán ser recubiertos interiormente por otro de material ais-
lante, el mismo que deberá entrar en el tanque recubriendo el
terminal con el propósito de evitar disrupción.
En la construcción se debe tratar de conseguir las
curvaturas indicadas anteriormente, si no es posible conseguir-
lo de una sola pieza se deberá proceder a soldar las piezas ne-r r r
cesarlas para conseguir esta curvatura.
En las paredes del tanque se deben practicar los o-
rificios para la unión tanque-tubos soportes de los bushings,
las empaquetaduras podrán ser de acrilo nitrilo.
Todas las características: dimensiones y forma pue-
.155
den verse en el plano •// 5 .
La sujeción de la estructura del transformador al
tanque, debe, garantizar la imposibilidad de producir movimien-
tos verticales, giratorios u oscilatorias que pueden afectar
las conexiones de los devanados en los terminales del tanque,.
Esta estructura se colocará en forma inclinada para
permitir una mejor circulación del aceite por los espacios-
destinados para este fin, el ángulo de inclinación será de 20
con respecto al plano horizontal para permitir esta ubicación
se colocarán pletinas cuyas dimensiones se indican en el plano
# 7 y la forma en que la estructura quedará en el tanque pue-
de verse en los planos # 6 .-•
La sujeción será por medio de pernos para lo cual se
dispondrán pletinas en el núcleo las cuales se colocarán en la
parte correspondiente a los pernos de sujeción de las láminas..
Todas estas pletinas deberán ser soldadas al tanque y núcleo
respectivamente.
En lo que se refiere a la sujeción de la tapa al
tanque, ésta se la hará por medio de un solo perno cuya cabeza.
debe ser redondeada para evitar corona, y éste se sujetará a
una pieza colocada en el tanque para este propósito, la misma
r
.156
que estará sujeta al tanque por medio de dos pletinas solda-
das al mismo y para sujetar se utilizará pasadores como puede
verse en el plano #'7.
3. CONEXIONES Y TERMINALES DE SALIDA
Las conexiones que se realizarán pueden verse en el
siguiente diagrama:
DEVANADO TERCIARIO
DEVANADO DE BAJA
TENSIÓN
~"\O DE ALTA
TENSIÓN
FIGURA NS 16
El objetivo de esta disposición es eliminar la exci-
tación desequilibrada de lo cual se habló anteriormente.
.157
La imposibilidad de usar conectores por falta de e-
quipo; hace que por experiencia anterior se recomiende que las
mismas se las realicen introduciendo los terminales en tubos
de cobre y rellenándolos de suelda-.
Para la salida de los terminales de los devanados co-
rrespondientes se la realizará a través de tubos aislantes.
Una superficie equipotencial será colocada sobre el
devanada de baja tensión con el propósito de conseguir una me-
jor distribución del campo eléctrico la forma del mismo y sus
dimensiones pueden verse en la fig. # 15 el potencial de esta
superficie será el correspondiente al devanado de alta tensión
de la columna en la cual se halle u b i c a d o 3 y podrá ser cons-
truida en tres partes: un cilindro, y dos tronco de conos y lue-
go se procederá a soldarlas.
4. . SECADO DEL TRANSFORMADOR Y LLENADO DE ACEITE EN EL
TANQUE
Aún cuando el papel esté tratado o impregnado, puede
absorver humedad si el aire o el aceite circundante lo contiene
Se ha encontrado que pequeñas cantidades de humedad
——.en pape1 va temperaturas elevadas.
Lo mencionado anteriormente pone de manifiesto la
importancia -de eliminar la humedad del papel y del "cartón en
baño de aceite. El secado del 'papel depende de relativamente
pocos factores: temperatura? tiempo, espesor de las piezas
aislantes y la tensión de vapor de la humedad de la atmósfera
circundante. El secada puede efectuarse mediante varias com-
binaciones diferentes de estos factores.
a) Tempera tura
La temperatura debe ser tan alta como sea posible,
sin que se llegue a la ruptura química del aislamiento. Si
se controlan con presición el tiempo y la temperatura, como es
posible en una fábrica; puede usarse una temperatura de hasta
120 C para aislamiento seco nuevo. El papel impregnado en a-
ceite no debe exceder de 90 C. Puesto que la superficie acei-
tosa del aislamiento impregnado en aceite se oxida con cierta
rapidez, los productos de la oxidación pueden elevar permanen-
temente el factor de potencia del aislamiento, si éste se ca-
lienta demasiado'.
.159
La fuente primaria de calor puede ser vapor, gas , o
calentadores eléctricos. El calor puede ser transmitido al
aislamiento calentando el aceite, en un transformador de baño •
de aceite, haciendo circular aire caliente por la cuba, después
de retirar el aceite, calentando separadamente las bobinas en
un horno, o haciendo circular una corriente por los devanados.
- Calentamiento mediante circulación de aire por la
cuba .
Es necesario montar conductos e inyectores adecuados
para inyectar aire al transformador por la parte inferior o
superior. .Con la superficie de calefacción a unos 150 C, unos
200 pies de aire producirán a una temperatura del aire de unos
110 C. Es particularmente efectivo el aire comprimido de un
compresor común, si es posible hacerlo pasar por una trampa an-
tes de calentar, para eliminar el agua que generalmente está
presente en las líneas de aire comprimido. Los calentadores
eléctricos son generalmente los más convenientes, pero es po-
sible usar serpentines o calentadores de gas, si se tiene cui-
dado de evitar que penetren en la corriente de aire fugas de
vapor o productos de la combustión.
- Calentamiento haciendo circular una corriente en
los devanados.
.160
Este método se aplica con aceite en el tanque. Uno
de los devanados se pone en cortocircuito y se hace circular
una corriente de plena carga en el otro devanado. Generalmen-
te no es seguro usar- más del 125?ó de la corriente de plena car-
ga, si han de evitarse puntos calientes en el devanado.
- Calentamiento haciendo circular aceite caliente.
El método de calentamiento haciendo circular Lina co-
rriente tiene la desventaja de que todo el aceite deber ser
desaguado, antes de que el transformador puede seguir siendo
secado mediante la aplicación de vacío, .lo que a su vez signi-
fica que debe haber disponibles medios de almacenamiento del
aceite. Esto puede evitarse calentando el aceite en un compar-
timiento separado, haciendo entrar -el aceite caliente por la
parte superior del núcleo y las bobinas, extrayéndolo por'la
parte inferior y de allí bombeándolo de regreso al calentador
Debe suministrarse aproximadamente la misma cantidad de calor
(1 vatio por pulgada cuadrada de superficie expuesta, para u-
na elevación de temperatura de 100 C).
El calor acelerará la eliminación de la humedad; pe-
ro el solo calor no es suficiente. Deben suministrarse medios
para reducir la tensión parcial de vapor de la humedad. Esto
puede hacerse aplicando vacío o secando el aire, si se usa aire -
para cale Facción. El secado del aire puede hacerse comprimién-
dolo; enfriándolo y eliminando con trampa la humedad condensa-
da, o haciendo circular el aire por un secador.
. . - Llenando al vacío de aceite en el transformador.
El principal objetivo de llenar transformadores al
vacío -es el- de eliminar el aire del aislamiento. Las pequeñas
burbujas de aire indiscutiblemente tienen mucho menos resisten-
cia dieléctrica que el aceite e inevitablemente provocan una
falla, si están situadas en un punto de alta tensión. Son cau-
sa de especial dificultad dentro de las vueltas y capas de una
bobina donde rápidamente se alojan. Las burbujas situadas en
las vueltas y las capas pueden no ser descubiertas por pruebas
de 60 ciclos, a causa de que el esfuerzo de vuelta y de capa a
capa puede no ser suficientemente alto para causar ruptura, pe-
ro pueden fallar durante la prueba de impulso.
Un buen vacío es esencial, si ha de ser efectivo el
llenado al vacío. Si la presión residual es de 7;5 mm. o un
centesimo de presión atmosférica, cualesquiera burbujas rema-
nentes de aire contendrán un centesimo del aire que contendrían
a la presión atmosférica.
.16-2
Guarido se retira el vacío, se contraen a un centési--
mo de su volumen al vacío, pero, sorprendentemente, un centesi-
mo de su volumen representa una reducción en su diámetro hasta
quedar en un quinto del anterior.
En consecuencia, aún con una presión residual de
7,5 mm., las burbujas remanentes pueden tener un tamaño apre —
ciable. El vacío retira una gran cantidad de aire del aceite-,.
a medida que entra en la cuba, de manera que ésta disuelve' más;
rápidamente las pequeñas burbujas de aire.. La experiencia in-
dica que un vacío de 7,5 mm. , es enteramente satisfactoria: pa-
ra el llenado de aceite;
5. CONCLUSIONES FINALES
Luego de haber concluido con el diseño- com plebe? a
excepción hecha del tanque por no haber contado con la in for-
mación suficiente en lo que se refiere- a catálogos, y la no
existencia en el mercado de los bushings y soportes aislantes,-
es conveniente reflexionar sobre el trabajo realizado:..
Se debe indicar que inicialmente se comenzó trabajan-
do como una tesis conjunta la cual constaba de diseño y cons-
trucción del transformador y, por razones de fuerza mayor no.
.163 '
fue posible continuar con este lincamiento y resulto necesario
limitar esta tesis únicamente al diseño por considerar que to-
do el trabajo resultaba demasiado extenso para una sola tesis.
Una limitación muy grande constituyó la existencia
de un núcleo construido anteriormente, aunque si bien éste te-
nía el mismo propósito las dimensiones de la ventana llegaron
a causar problemas en lo referente al aislamiento, pero la di-
ficultad de conseguir en el mercado acero de buena calidad nos
llevó a utilizar el 'núcleo existente, a pesar de conocer de par-
tida las bajas características magnéticas, lo cual implicaba
que por trabajar con una densidad de flujo demasiada baja el
número de espiras sea elevado en lo que al devanado de alta
tensión se refiere, si tomamos en consideración la sección del
conductor a ser utilizada en este devanado y el alto múmero de
espiras la construcción presentará un grado de dificultad muy
alto .
En este trabajo puede verse la necesidad de un pro-
grama digital que permita optimizar todos los cálculos realiza-
dos para determinar el diseno, que si bien al ser realizados
manualmente se han determinado valores que están dentro de ran-
gos permisibles, no necesariamente se han determinado los valo-
res óptimos. Siendo ésta la principal razón que llevó a imple-
.164
mentar un pequeño programa que determina la distribución del
devanado de alta tensión, programa en el cual se pone de mani-
fiesto la utilidad de una herramienta de esta naturaleza.
Uno de los mayores problemas que se tuvo que afrontar
constituyo el aislamiento, siendo posible pensar que un aumen-
to en las dimensiones de las capas aislantes eliminaría este
problema, si bien se disminuyen los' esfuerzos se podría 1 legar
a que esto sea causa de serios problemas en los valores de re-
actancia capacitiva e -inductiva.
En lo que a la forma de la superficie equipotencial
se refiere se puede pensar que no es la más adecuada por la di-
ficultad de construcción? pero si tomamos en cuenta que ésta .
fue la única con la cual el campo no presentaba concentracio-
nes y como consecuencia corona no quedó otra alternativa que
adoptar esta forma.
Finalizado el trabajo se vio la necesidad de contar
con otros espacios para circulación de aceite; los cuales se
hallan indicados únicamente en los planos correspondientes a
la distribución de los bobinados, los mismos que fueron colo-
cados a cada lado del tercer paquete del devanado de alta ten-
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