Transformador de potencia: partes, funciones y pruebas

Respuesta corta

El transformador de potencia cambia el nivel de tensión entre dos o más redes por inducción electromagnética. En la subestación de alta tensión tiene núcleo y devanados en aceite, cambiador de tomas bajo carga, bujes capacitivos, conservador y refrigeración por etapas. Es el equipo más costoso y de mayor plazo de reposición, por eso se protege con la diferencial 87T, dispositivos mecánicos y funciones térmicas, y se vigila con pruebas y análisis del aceite durante toda su vida.

Qué es un transformador de potencia

El transformador de potencia es una máquina estática que transfiere energía entre dos o más circuitos por inducción electromagnética, cambiando la tensión y la corriente sin cambiar la frecuencia. En una subestación de alta tensión une dos redes de distinto nivel: la transmisión o la subtransmisión con la distribución en media tensión, o dos niveles de alta tensión. En las centrales eleva la tensión de la generación para transmitirla.

Se ubica entre la bahía de transformador del lado de alta, con su interruptor, sus seccionadores y sus pararrayos, y la bahía o la celda del lado de media tensión. A su alrededor quedan el tablero de control del transformador, el controlador del cambiador de tomas y el gabinete de protecciones.

Es el activo más costoso de la subestación y uno de los de mayor plazo de fabricación. Una falla interna no detectada a tiempo puede terminar en incendio y en meses de indisponibilidad. Por eso tiene más protecciones y más pruebas que casi cualquier otro equipo.

Partes principales

Núcleo de láminas de acero eléctrico de grano orientado, normalmente de columnas, que conduce el flujo magnético; vea núcleo y devanados.
Devanados concéntricos de cobre o aluminio, aislados con papel celulósico y cartón prensado: el de baja tensión cerca del núcleo, el de alta por fuera y el de regulación con las derivaciones.
Líquido aislante: aceite mineral o, cada vez más, ésteres naturales o sintéticos. Aísla y refrigera.
Tanque y conservador con bolsa o membrana que separa el aceite del aire, y desecador de sílica gel.
Bujes capacitivos de alta tensión con toma de prueba; vea los bujes de alta tensión.
Cambiador de tomas bajo carga (OLTC), casi siempre en el devanado de alta tensión, con su regulador automático de tensión; vea el cambiador de tomas bajo carga.
Refrigeración: radiadores o intercambiadores, ventiladores y, en las clases forzadas, bombas.
Dispositivos de protección propia: relé Buchholz, relé de flujo del cambiador, válvula de alivio de presión, nivel de aceite, termómetros de aceite y de imagen térmica del devanado.
Transformadores de corriente de buje para la diferencial, la falla a tierra restringida y la imagen térmica.
Monitoreo en línea, cuando se especifica: gases disueltos, bujes, temperaturas y cambiador.

Cómo funciona

La tensión aplicada al devanado primario produce un flujo alterno en el núcleo. Ese flujo enlaza todos los devanados, y la tensión de cada uno es proporcional a sus espiras.

Grupo vectorial. Indica cómo se conectan los devanados y el desfase entre ellos con la notación horaria de IEC 60076-1. YNd11, por ejemplo, es estrella con neutro accesible en alta y triángulo en baja, con 30° de desfase. En subestaciones de distribución es frecuente una estrella aterrizada en el lado de media tensión para dar la referencia de tierra del sistema. La protección diferencial necesita este dato para compensar el desfase.

Regulación. El cambiador de tomas modifica la relación con el transformador en carga, para mantener la tensión de media tensión dentro de su banda aunque varíen la tensión de la red y la carga.

Calor y vida útil. Las pérdidas en el núcleo y en los devanados se convierten en calor que el aceite lleva a los radiadores. La vida del transformador depende sobre todo de la temperatura del punto más caliente del devanado, porque el papel envejece más rápido con el calor, la humedad y el oxígeno. Las guías de carga IEC 60076-7 e IEEE C57.91 relacionan carga, temperatura y envejecimiento.

Refrigeración. IEC 60076-2 identifica la refrigeración con cuatro letras: medio interno (O: aceite mineral o líquido con punto de combustión de hasta 300 °C; K: líquidos con punto de combustión mayor, como los ésteres; L: sin punto de combustión medible), su circulación (N natural, F forzada, D dirigida a los devanados), medio externo (A aire, W agua) y su circulación (N o F). Un transformador ONAN/ONAF tiene una potencia con ventiladores apagados y otra mayor con ventiladores; OFAF y ODAF agregan bombas. Vea el sistema de refrigeración del transformador.

Energización. Al energizar en vacío, el núcleo puede llevarse a saturación según el instante de cierre y el flujo remanente. Aparece una corriente de energización alta, rica en segundo armónico, que solo circula por el devanado energizado. No es una falla, pero la protección diferencial debe reconocerla para no disparar; el mando sincronizado del interruptor, cuando existe, ayuda a reducirla.

Tipos y diferencias con otros niveles

Tipo	Rasgos principales
Transformador de alta tensión de subestación	OLTC, conservador, bujes capacitivos, refrigeración por etapas y esquema completo de protecciones
Transformador de distribución MT/BT	Cambiador sin carga, ONAN o seco (IEC 60076-11), protegido casi siempre con fusibles
Autotransformador de potencia	Preferido entre niveles de extra alta tensión, con devanado común y terciario
Elevador de generación	En centrales, normalmente con el triángulo del lado del generador
Banco de unidades monofásicas	Cuando el transporte limita el tamaño, a veces con una unidad de reserva
Industria y plantas solares	Transformadores para rectificadores, hornos y variadores; elevadores de los centros de inversores, a veces con varios secundarios

Valores nominales y placa

La placa reúne, entre otros datos, la norma de fabricación, el fabricante, el número de serie y el año, el número de fases, la potencia nominal para cada etapa de refrigeración, la frecuencia, las tensiones nominales y el rango de tomas, las corrientes, el grupo vectorial, la impedancia de cortocircuito, los niveles de aislamiento, las masas (total, de transporte y de aceite) y el esquema de conexiones con las posiciones del cambiador. IEC 60076-1 (cláusula 8) fija la información mínima. Los niveles de aislamiento y sus ensayos están en IEC 60076-3, y la capacidad de soportar cortocircuitos en IEC 60076-5.

Integración con protección y control

Diferencial de transformador 87T, con CT en todos los lados, que dispara todos los interruptores del transformador mediante el relé de bloqueo 86.
Falla a tierra restringida 87N (64REF) para el devanado en estrella aterrizada, más sensible a fallas cerca del neutro.
Protecciones mecánicas: Buchholz 63, presión y temperatura.
Sobrecorriente 50/51 de respaldo en ambos lados, sobrecarga térmica 49 y, en elevadores y transformadores de interconexión, sobreexcitación 24.
Regulador automático de tensión 90, que manda al cambiador.

La guía IEEE C37.91 resume la aplicación de estas funciones según el tamaño y la importancia del transformador. En IEC 61850 el transformador es el nodo lógico YPTR y el cambiador YLTC, controlado por ATCC. La supervisión usa SIML para el medio aislante líquido, STMP para temperaturas y SPTR para la supervisión del transformador; los CT aparecen como TCTR, la diferencial como PDIF, el disparo como PTRC y los interruptores como XCBR.

Pruebas de puesta en servicio y mantenimiento

Las pruebas a transformadores de potencia responden a una pregunta: ¿el transformador está como salió de fábrica, o algo cambió?

Relación de transformación y grupo vectorial en todas las tomas: detectan espiras en corto, errores de conexión y fallas del cambiador. Vea la prueba de relación de transformación.
Resistencia de devanados: conexiones flojas y contactos del cambiador en mal estado.
Resistencia de aislamiento y factor de disipación (tan δ) de devanados y bujes: humedad y envejecimiento del aislamiento. Vea la prueba de factor de potencia y tangente delta.
Corriente de excitación e impedancia de cortocircuito: problemas del núcleo y deformación de devanados.
Respuesta en frecuencia (FRA): huella de referencia y comparación después de cortocircuitos o transporte; vea la guía de FRA.
Análisis del aceite: gases disueltos y pruebas físico-químicas; vea el análisis de aceite dieléctrico.
Cambiador de tomas: resistencia dinámica, secuencia y funcionamiento del regulador.
Funcionales: disparos y alarmas de los dispositivos mecánicos, refrigeración, imagen térmica y CT de bujes. Luego se prueba el esquema de protecciones con inyección secundaria y, al energizar, se verifican estabilidad y polaridad de la diferencial con carga.

Los resultados se comparan con el protocolo de fábrica y con las mediciones anteriores del mismo equipo, siguiendo guías como IEEE C57.152.

Fallas comunes y qué revisar primero

Disparo de 87T al energizar: corriente de energización; revise el bloqueo por armónicos y el registro antes de inspeccionar el transformador.
Alarma de Buchholz: tome muestra de gas y de aceite; distinga aire de gases de falla.
Gases disueltos en aumento: puntos calientes en conexiones o en el núcleo, arcos de baja energía o descargas parciales; la tendencia pesa más que un valor aislado (IEC 60599, IEEE C57.104).
Temperatura alta: ventiladores o bombas fuera de servicio, radiadores con válvulas cerradas o sobrecarga.
Tensión fuera de banda: falla del cambiador, de su motor o del regulador.
Bujes: aumento de capacitancia o de tan δ en la medición periódica.
Humedad en el papel y desecador saturado: baja el aislamiento y se acelera el envejecimiento.
Deformación de devanados después de cortocircuitos pasantes, visible en FRA e impedancia.

Pruebas y puesta en servicio con Tiza Group

En Tiza Group probamos y ponemos en servicio transformadores de potencia, su cambiador y su esquema de protecciones, en subestaciones de media, alta y extra alta tensión y en la industria. Si la 87T o el regulador no se comportan como espera, revisamos los ajustes a distancia con nuestro servicio de configuración remota de relés. Cuéntenos de su transformador y le proponemos un plan de pruebas.

Guías relacionadas

Referencias

IEC 60076-1, Transformadores de potencia: generalidades.
IEC 60076-2, Calentamiento de transformadores sumergidos en líquido.
IEC 60076-3, Niveles de aislamiento y ensayos dieléctricos.
IEC 60076-5, Aptitud para soportar cortocircuitos.
IEC 60076-7, Guía de carga para transformadores sumergidos en aceite.
IEC 60076-11, Transformadores de tipo seco.
IEC 60076-18, Medición de la respuesta en frecuencia.
IEC 60214-1, Cambiadores de tomas: requisitos y ensayos.
IEC 60599 e IEEE C57.104, interpretación de gases disueltos.
IEC 61850-7-4, Clases de nodos lógicos compatibles.
IEEE C57.91, Guía de carga.
IEEE C57.152, Guía de pruebas de campo de transformadores.
IEEE C37.91, Guía de protección de transformadores.

Preguntas frecuentes

¿Por qué disparó el transformador al energizarlo si no tiene falla?

Lo más común es la corriente de energización (inrush), que circula solo por el devanado energizado y la diferencial ve como corriente diferencial. Los relés la bloquean por contenido de segundo armónico u otros métodos; si el bloqueo está mal ajustado o los CT se saturan, la 87T puede disparar. Revise la oscilografía antes de inspeccionar el transformador.

¿Qué significa ONAN/ONAF en la placa del transformador?

Son dos etapas de refrigeración con su potencia nominal: ONAN con aceite y aire en circulación natural, y ONAF con ventiladores. La primera letra es el medio interno, la segunda su circulación, la tercera el medio externo y la cuarta su circulación, según IEC 60076-2.

¿Qué indica una alarma o un disparo del relé Buchholz?

Que se acumuló gas en el relé o que hubo un flujo brusco de aceite. Además de una falla interna que descompone el aceite o el papel, pueden causarlo aire atrapado después de un llenado, bajo nivel de aceite o una oleada por un cortocircuito pasante. Antes de reenergizar se analizan el gas y el aceite.