El núcleo y los devanados son la parte activa del transformador: el núcleo de láminas de acero de grano orientado conduce el flujo magnético y los devanados de cobre o aluminio, aislados con papel y cartón prensado, lo enlazan. De su diseño dependen las pérdidas, la resistencia a los cortocircuitos y la vida del aislamiento, y sus fallas se detectan con la diferencial, el Buchholz y pruebas como la corriente de excitación y el FRA.
Qué son y dónde están
El núcleo y los devanados forman la parte activa del transformador, la que de verdad transforma la energía. El núcleo es un circuito magnético de láminas de acero eléctrico; los devanados son las bobinas de cobre o aluminio que lo rodean, aisladas con papel y cartón prensado. En un transformador sumergido, la parte activa va dentro del tanque, apretada por estructuras de sujeción y cubierta de aceite. Los extremos de los devanados salen por los bujes y las derivaciones de regulación llegan al cambiador de tomas.
Todo lo demás (conservador, refrigeración, protecciones propias, tablero) existe para mantener esta parte seca, fría y vigilada. Es la pieza más cara y la que no se cambia en campo.
Cómo funciona
La tensión alterna aplicada al primario produce un flujo alterno en el núcleo. Ese flujo enlaza todos los devanados y en cada uno induce una tensión proporcional a su número de espiras. El núcleo da al flujo un camino de baja reluctancia, de modo que una corriente de excitación pequeña basta para magnetizarlo y casi todo el flujo enlaza a la vez el primario y el secundario.
Núcleo. Se arma con acero eléctrico de grano orientado laminado en frío, cuyos cristales quedan alineados con la dirección de laminación; en esa dirección se magnetiza con menos pérdidas. IEC 60404-8-7 clasifica estos grados en convencionales y de alta permeabilidad (entre ellos los de dominios refinados), en espesores nominales de unas décimas de milímetro, como 0,23, 0,27 o 0,30 mm. Las láminas son delgadas y aisladas entre sí para limitar las corrientes parásitas.
En las esquinas, donde se unen columnas y yugos, el flujo tiene que pasar de una lámina a otra. Los cortes en ángulo y el apilado escalonado (step-lap), que desplaza la junta de una capa a la siguiente, reducen las pérdidas, la corriente de excitación y el ruido frente a la junta a tope.
El núcleo se aterriza en un solo punto, normalmente llevado a un terminal accesible, para fijar su potencial sin formar un lazo por el que circule corriente.
Pérdidas. IEC 60076-1 distingue dos:
- En vacío: histéresis y corrientes parásitas en el núcleo. Existen mientras el transformador esté energizado y casi no dependen de la carga.
- Con carga: pérdidas por resistencia en los conductores más las adicionales que induce el flujo de dispersión en conductores, tanque y estructuras. Crecen con el cuadrado de la corriente.
Devanados. En el núcleo de columnas los devanados son cilindros concéntricos alrededor de cada columna, con el de baja tensión cerca del núcleo y el de alta por fuera. Los tipos más comunes son:
- De capas: espiras a lo largo de la columna en una o varias capas. En distribución también se usa lámina (foil) de cobre o aluminio.
- Helicoidal: varios conductores en paralelo enrollados en hélice, para corrientes altas y pocas espiras; los conductores se transponen para repartir la corriente.
- De discos: secciones planas conectadas en serie a lo largo de la columna, con canales de aceite entre ellas; es la forma habitual del devanado de alta tensión.
- Conductor continuamente transpuesto (CTC): un haz de conductores aislados que cambian de posición a lo largo del devanado, para reducir las pérdidas por corrientes parásitas y el punto caliente.
El aislamiento sólido es celulosa: papel sobre el conductor y cartón prensado en cilindros, separadores y anillos (IEC 60554 para papeles y IEC 60641 para cartón). El aceite lo impregna y llena los canales. La celulosa envejece con la temperatura, la humedad y el oxígeno, y su vida marca la del transformador.
Diferencias entre distribución, potencia y extra alta tensión
| Aspecto | Distribución | Potencia en AT | EAT y autotransformador |
|---|---|---|---|
| Núcleo | Grano orientado; metal amorfo en diseños de bajas pérdidas | Grano orientado apilado, de columnas | Igual; en unidades grandes, bancos de monofásicos por límites de transporte |
| Devanados | Capas o lámina, de cobre o aluminio | Discos en alta, hélice o capas en baja, CTC en corrientes altas | Devanado serie y común, más terciario |
| Regulación | Tomas sin carga | Devanado de regulación con OLTC | Según el diseño del fabricante |
Algunos fabricantes construyen además transformadores acorazados (shell), en los que primario y secundario van en una misma columna rodeada por el núcleo; se ven sobre todo en elevadores de generación grandes. Vea el transformador de potencia de alta tensión y las guías del transformador de distribución y del autotransformador de potencia.
Datos que importan
La placa y el protocolo de pruebas de fábrica dan las pérdidas en vacío y con carga garantizadas, la corriente de excitación, la impedancia de cortocircuito y la resistencia de devanados. Esos valores son la referencia con la que se comparan todas las pruebas futuras; sin ellos, el diagnóstico pierde base. La capacidad de soportar cortocircuitos está en IEC 60076-5.
Relación con protección y control
- Diferencial 87T: detecta fallas en los devanados, aunque un corto entre pocas espiras puede quedar por debajo de su sensibilidad. La saturación del núcleo al energizar produce la corriente de inrush, que la 87T bloquea por armónicos.
- Buchholz 63: ve el gas de fallas incipientes y entre espiras; vea las protecciones mecánicas 63, 26 y 49.
- Falla a tierra restringida 87N para fallas cercanas al neutro del devanado en estrella.
- Sobreexcitación 24: protege el núcleo de trabajar con demasiado flujo (tensión alta o frecuencia baja).
- Temperatura 26 y 49: protegen el aislamiento de los devanados.
Todos los disparos van al relé de bloqueo 86, que abre los interruptores del transformador.
Fallas comunes y qué revisar primero
- Cortocircuito entre espiras: gas en el Buchholz, gases disueltos de arco y disparo de la 87T. Revise la relación, la corriente de excitación y la resistencia de devanados por fase.
- Deformación de devanados después de cortocircuitos pasantes: compare el FRA y la impedancia de cortocircuito con la referencia.
- Segunda tierra del núcleo: gases de sobrecalentamiento sin causa eléctrica clara. Mida el aislamiento entre núcleo y tierra.
- Corriente de excitación alterada (en un núcleo trifásico de tres columnas lo normal, según la práctica que recoge IEEE C57.152, son dos fases altas parecidas y la central más baja): puede ser un defecto del núcleo o solo magnetismo remanente tras medir resistencia con corriente continua. Desmagnetice y repita antes de concluir.
- Envejecimiento del papel: humedad alta en el aceite y productos de degradación de la celulosa; la tendencia pesa más que un valor aislado.
Pruebas y mantenimiento
La parte activa no se ve en servicio; se diagnostica con pruebas eléctricas y con el aceite:
- Relación de transformación y grupo vectorial en todas las tomas.
- Resistencia de devanados.
- Corriente de excitación.
- Impedancia de cortocircuito.
- Respuesta en frecuencia (FRA) según IEC 60076-18, comparada con la huella de fábrica o de puesta en servicio.
- Aislamiento y factor de disipación de devanados, y aislamiento del núcleo a tierra.
- Análisis de gases disueltos, interpretado con IEC 60599 o IEEE C57.104.
Con esos resultados se decide si el transformador sigue en servicio, si necesita una inspección interna o si hay que reparar.
Pruebas y configuración con Tiza Group
En Tiza Group hacemos en sitio las pruebas a transformadores de potencia que diagnostican el núcleo y los devanados, en subestaciones e industria, hasta extra alta tensión. Si su 87T disparó o bloqueó y no está claro por qué, revisamos eventos y ajustes con la configuración remota de relés.
Referencias
- IEC 60076-1, Power transformers – Part 1: General.
- IEC 60076-5, Ability to withstand short circuit.
- IEC 60076-18, Measurement of frequency response.
- IEC 60404-8-7, Cold-rolled grain-oriented electrical steel strip and sheet delivered in the fully processed state.
- IEC 60554 (papeles celulósicos) e IEC 60641 (cartón prensado) para usos eléctricos.
- IEC 60599 e IEEE C57.104, interpretación de gases disueltos.
- IEEE C57.152, Guide for Diagnostic Field Testing of Fluid-Filled Power Transformers, Regulators, and Reactors.
- S. V. Kulkarni y S. A. Khaparde, Transformer Engineering: Design, Technology, and Diagnostics, CRC Press.
Preguntas frecuentes
¿Por qué la corriente de excitación de la fase central es menor que la de las otras dos?
En un núcleo trifásico de tres columnas, el flujo de la columna central recorre un camino magnético más corto, así que necesita menos corriente para magnetizarse. Lo normal es ver dos fases parecidas y la central más baja; lo que preocupa es que el patrón cambie frente a la medida de referencia.
¿Qué diferencia hay entre pérdidas en vacío y pérdidas con carga?
Las pérdidas en vacío ocurren en el núcleo (histéresis y corrientes parásitas) mientras el transformador esté energizado, aunque no tenga carga. Las pérdidas con carga ocurren en los devanados y en las partes metálicas por el flujo de dispersión, y crecen con el cuadrado de la corriente.
¿Por qué el núcleo se aterriza en un solo punto?
Para fijar su potencial sin formar un lazo cerrado. Si aparece una segunda conexión a tierra, por ejemplo por un objeto metálico o un aislamiento dañado, circula una corriente que calienta el núcleo y genera gases que se ven en el análisis del aceite.