El anexo A de IEC 60076-5 describe cómo evaluar, sin ensayo, si un transformador resiste los efectos dinámicos del cortocircuito. Es una revisión de diseño: se calculan las fuerzas axiales y radiales y los esfuerzos mecánicos, y se comparan con un transformador de referencia ensayado o con las reglas de diseño del fabricante.
Qué fuerzas actúan en un cortocircuito
Cuando una falla atraviesa un transformador, los devanados conducen una corriente muy superior a la asignada. Esa corriente produce fuerzas mecánicas entre devanados y sobre sus soportes. Estas fuerzas se llaman fuerzas electromagnéticas de cortocircuito.
Si el diseño no las soporta, el devanado sufre daños mecánicos como desplazamientos o deformaciones (cláusula 4.2.7).
IEC 60076-5, cláusula 4.2.1, deja al comprador la decisión de pedir la demostración de la tenida dinámica, y ofrece dos caminos:
- ensayo de cortocircuito, que se trata en la guía de ensayo;
- cálculo y consideraciones de diseño y fabricación, según el anexo A.
La elección se acuerda entre comprador y fabricante antes del pedido. Aquí se explica el segundo camino.
Qué es la revisión de diseño
El anexo A es informativo. Su objeto es la evaluación teórica de la tenida a los efectos dinámicos del cortocircuito (cláusula A.1). La cláusula A.2 la describe como una revisión de diseño que cubre los principales aspectos de resistencia mecánica del transformador. Sobre cuándo un transformador similar evita el ensayo de cortocircuito, véase transformador similar y cuándo no hay que ensayar a cortocircuito.
La documentación incluye hojas de datos de diseño electromagnético, cálculos de corrientes, fuerzas y esfuerzos, planos, especificaciones de materiales y prácticas de fabricación.
La revisión aplica principalmente a transformadores de categorías II y III. Para la categoría I, que se suele comprar en lotes, la norma recomienda preferir el ensayo de una o dos unidades del lote, aunque la revisión de diseño también es posible.
Las fuerzas que se revisan
La cláusula A.3.2 lista las fuerzas que deben calcularse. Se calculan con el valor de cresta de la corriente de cada devanado. Por eso importa el factor de pico del cortocircuito.
En transformadores de núcleo:
- fuerza radial hacia adentro o hacia afuera en cada devanado;
- fuerza axial máxima de compresión en cada devanado;
- empuje axial máximo en los extremos de cada devanado;
- fuerza axial por columna en el anillo de presión común y en los herrajes del núcleo;
- empuje sobre las salidas de los conductores del devanado de baja tensión.
En transformadores acorazados:
- fuerzas axiales en cada bobina y en cada grupo de bobinas;
- fuerzas radiales en las bobinas tipo panqueque;
- fuerza total sobre las cuñas entre fases y los bloques de presión;
- fuerza total sobre las láminas del núcleo;
- fuerza total sobre los refuerzos del tanque.
La norma advierte que las fuerzas axiales en transformadores de núcleo, y las radiales en acorazados, son muy sensibles a las posiciones relativas de los devanados con fuerzas magnetomotrices de signo contrario. Por eso el fabricante debe declarar los desplazamientos por tolerancia de taller que consideró.
También se debe identificar, para cada devanado, la condición más severa entre los tipos de falla y las posiciones del cambiador de tomas.
Los esfuerzos mecánicos
Con las fuerzas se calculan los esfuerzos en los conductores y en las estructuras. En un transformador de núcleo, la lista de la cláusula A.3.2 e) incluye:
- tensión de tracción media en los devanados exteriores;
- compresión media en los devanados interiores, o compresión equivalente en los de capas;
- flexión radial y axial de los conductores entre soportes o separadores;
- compresión sobre separadores radiales y sobre el aislamiento de papel;
- compresión sobre los anillos de extremo y el anillo de presión común;
- tracción sobre los tirantes de la estructura de apriete.
Los devanados interiores trabajan a compresión. La nota de la cláusula A.3.3.3.2 explica dos formas de falla. En el pandeo forzado, el conductor se curva hacia adentro entre dos soportes consecutivos. El pandeo libre es una pérdida súbita de forma: el conductor se deforma en uno o pocos puntos de la circunferencia. El pandeo libre es el patrón de colapso más común y ocurre de repente al llegar a la tensión crítica.
Dos formas de evaluar
La cláusula A.3.3 ofrece dos métodos alternativos.
Comparación con un transformador de referencia. El de referencia debe haber pasado el ensayo de cortocircuito. Debe ser similar, y haberse diseñado y fabricado con los mismos métodos de cálculo, criterios mecánicos y prácticas de calidad. Su rango de validez de reglas de diseño debe cubrir a ambos. El transformador evaluado se considera apto si ninguna fuerza o esfuerzo supera 1,2 veces el valor calculado en el de referencia. Para tres casos en núcleos la exigencia es más estricta, 1,1 veces: la compresión media en devanados de disco, helicoidales y de una capa, la compresión equivalente en los de varias capas, y el empuje sobre las salidas del devanado de baja tensión.
Verificación con las reglas de diseño del fabricante. El fabricante debe demostrar que sus reglas tienen base experimental: lista de transformadores ensayados, resultados en modelos, normas internas, registros de servicio y años de operación sin fallas. Después se compara cada fuerza o esfuerzo con el máximo admisible adoptado en el diseño. El transformador se considera apto si ninguno supera el admisible ni 0,8 veces el valor crítico definido por el fabricante.
Valores orientativos de la norma
La cláusula A.3.3.3.2 da límites de guía, basados en experiencia, y aclara que no son límites normativos. Pueden superarse si el fabricante demuestra experiencia documentada con valores mayores. Algunos ejemplos para transformadores de núcleo:
| Esfuerzo | Límite orientativo |
|---|---|
| Tracción media en devanados de disco y helicoidales | Hasta 0,9 veces el límite elástico Rp0,2 del conductor |
| Compresión media en devanados de disco, helicoidales y de una capa (hebras normales) | Hasta 0,35 veces Rp0,2 |
| Compresión sobre separadores radiales con papel | 80 MPa |
| Compresión sobre separadores radiales con esmalte | 120 MPa |
| Compresión sobre el aislamiento de papel en devanados de capas | 35 MPa |
| Fuerza axial de compresión frente al volteo del conductor | Hasta 0,8 veces la fuerza que inclina el conductor (volteo) |
Rp0,2 es la tensión que produce una elongación permanente del 0,2 %.
Qué debe exigir el comprador
- Elegir el método de demostración antes del pedido (cláusula 4.2.1).
- Pedir que la revisión se haga según la cláusula A.3.1 y A.3.2, con las fuerzas y los esfuerzos de la tabla A.1 o A.2.
- Entregar al fabricante la potencia de cortocircuito de la red y las condiciones especiales de falla.
- Pedir la declaración firmada de resultado positivo (cláusula A.3.4).
La información que el fabricante entrega queda como su propiedad intelectual y debe mantenerse confidencial.
Después de un evento en servicio
IEC 60076-5 usa la variación de la reactancia de cortocircuito como criterio para evaluar el estado del devanado tras el ensayo (cláusula 4.2.7). La misma comparación sirve en campo: la impedancia de cortocircuito y el análisis de respuesta en frecuencia frente a la referencia.
Para analizar una falla en un transformador, vea la guía Análisis de fallas en transformadores.
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Referencias
- IEC 60076-5, Power transformers – Part 5: Ability to withstand short circuit, cláusula 4.2.1 y anexo A (informativo).
- CIGRE, The Short-circuit Performance of Power Transformers, Technical Brochure 209 (citada por la norma).
Preguntas frecuentes
¿El anexo A de IEC 60076-5 es obligatorio?
No. Es un anexo informativo. Describe cómo hacer la revisión de diseño cuando el comprador y el fabricante eligen demostrar la tenida dinámica por cálculo y no por ensayo. Los límites que da son orientativos y no son límites normativos.
¿Por qué los devanados internos y externos sufren esfuerzos distintos?
En un transformador de núcleo, la norma pide revisar la tensión de tracción en los devanados exteriores y la de compresión en los interiores. Los devanados interiores, sometidos a compresión, pueden fallar por pandeo, que es la deformación del conductor hacia adentro.
¿Quién firma la revisión de diseño?
La cláusula A.3.4 pide que el comprador reconozca formalmente el resultado positivo de la revisión, con una declaración firmada por comprador y fabricante. Esa firma no exime al fabricante de sus obligaciones sobre la tenida del transformador.