Selección de la potencia del transformador en función de la temperatura

Abstract

Los transformadores pueden en muchos casos entregar potencias que exceden la potencia nominal de la placa sin afectar su expectativa de vida normal. Esta capacidad de sobrecarga está en función de la magnitud y duración de la sobrecarga, del ciclo de carga a que haya estado sometido el transformador antes de aplicársele la sobrecarga, de las características constructivas propias del transformador y de la temperatura ambiente. Esta capacidad de sobrecarga puede ser muy útil para hacer frente a puntas de carga que pueden presentarse en el sistema del cual forma parte el transformador, ya que permite satisfacer la demanda sin necesidad de efectuar inversiones adicionales en transformación constituyendo así una valiosa reserva para casos de emergencia. Al operar un transformador con determinada carga, genera unas pérdidas fijas que son las pérdidas en el núcleo y otras que varían con el cuadrado de la corriente de carga que son las pérdidas en los bobinados. Estas pérdidas se manifiestan en la forma de calor disipado y calor que eleva la diferencia de tempera tura de los elementos del transformador (bobinados, aceite, tan-que, etc.) respecto al medio ambiente. En la medida que el transformador tome mayor carga, habrá mayores pérdidas y por lo tanto con la misma temperatura ambiente, mayores temperaturas sus elementos. Con estas temperaturas el elemento no regenerable que se deteriora más rápidamente disminuyendo la expectativa de vida del transformador en la medida de su propio deterioro es el aislamiento de los bobinados por lo que se ha basado la determinación de la vida del transformador en función de la vida del aislamiento de sus bobinados. El deterioro del aislamiento por temperatura se manifiesta en forma de carbonización siendo ésta tanto más acelerada cuanto mayor sea la temperatura del aislamiento. Durante la vida normal del transformador la carbonización se presenta como un proceso gradual y acumulativo, cada temperatura durante su tiempo de aplicación produce una determinada carbonización hasta que finalmente llega a la carbonización total donde se torna frágil y quebradizo y en estas circunstancias si el transformador es sometido a cualquier esfuerzo exigente (cortocircuito, cambio de ubicación, etc.) se quiebra el aislamiento con la consiguiente pérdida de las propiedades aislantes del mismo y la falla del transformador que da término a la vida de éste. Un transformador operando permanentemente a plena carga, con una temperatura ambiente nominal, tendrá una temperatura nominal en sus bobinados, una velocidad de carbonización nominal y por lo tanto una vida nominal que debe ser de 20 a 30 años cuan do menos. En cuanto se modifiquen la temperatura ambiente o la carga del transformador se modificará también la temperatura de los bobinados, la velocidad de carbonización y por lo tanto la vida del transformador: Si el transformador opera permanentemente con mayor temperatura en sus bobinados su expectativa de vida disminuirá y si opera permanentemente con menor temperatura su expectativa de vida aumentará. No siempre los transformadores operan permanentemente a plena carga ni con temperatura ambiente nominal. En los casos, en que los transformadores tengan tiempos de funcionamiento con carga inferior a la nominal o en los casos donde la temperatura ambiente es inferior al ambiente nominal podrán aplicarse sobre cargas de acuerdo con la capacidad de sobrecarga del transformador sin afectar su expectativa de vida normal. Estas sobrecargas para el caso de que hubieran tiempos de funcionamiento con carga inferior a la nominal serían tales que el exceso de envejecimiento durante las sobrecargas sea compensado con el menor envejecimiento del período de subcargas y en el caso de menor temperatura ambiente las sobrecargas serían tales que compensen la diferencia de temperatura ambiente respecto de la nominal con una mayor sobre temperatura de los bobinados. Pueden también presentarse ambas compensaciones al mismo tiempo. Para casos de emergencia se podrían también considerar sobrecargas con sacrificio moderado de la expectativa de vida normal. Existen normas internacionales y boletines elaborados por fabricantes de transformadores con recomendaciones para poder deducir la sobrecarga que sería posible aplicar a transformadores que están sometidos a ciclos de carga típicos, para diferentes condiciones de temperatura ambientales, con o sin sacrificio de la expectativa de vida normal del transformador. La in-formación de estas normas y boletines, por lo general consideran condiciones de trabajo que son las que corresponden a su práctica particular, esto es, la norma que tienen vigente en su país de origen y las características promedio de su manufactura y que por lo tanto éstas no son aplicables directamente en nuestro medio sin un examen previo de lo que disponemos. Este trabajo considera el aspecto teórico de manera que la sobrecarga que puede ser transportada por un transformador, pueda ser calculada partiendo de sus características particulares de placa y de acuerdo con las condiciones particulares de operación. La teoría desarrollada de esta forma permite calcular la sobrecarga de un transformador fabricado bajo cualquier norma, con cualquier característica constructiva dentro de los tipos de transformadores que comprende este trabajo. También se ha orientado el trabajo para disponer de una información general de manera que pueda ser calculada la vida del transformador en base a estos datos. En el desarrollo del trabajo en la parte 2, se define la potencia nominal y todos los valores que le son característicos ya que definida la potencia nominal ésta sirve de punto de partida en el cálculo de temperaturas para otras condiciones de carga diferentes a la nominal. La potencia nominal se define en este capítulo en base a sobre temperaturas límites tanto de los bobinados como del aceite, respecto al medio ambiente, que se alcanzarían con la carga aplicada en forma permanente. Estas sobre temperaturas han sido determinadas por los organismos que emiten normas, teniendo en consideración una temperatura máxima de referencia para el ambiente y la resistencia del aislamiento y el aceite al envejecimiento con temperatura, de manera que el transformador pueda tener una vida normal, en operación permanente, con las temperaturas resultantes para los bobinados y el aceite. Con estas sobre temperaturas límites, resulta en la práctica, para todos los transformadores del mismo tipo fabricados bajo la misma norma, una distribución de temperatura similar. En base a esta consideración es que, al final del primer capítulo se presenta en forma de cuadro las distribuciones de temperatura para los diferentes tipos de transformadores. A falta de información particular se puede partir de estos datos cuando se requiere determinar las temperaturas de un transformador para otras condiciones de carga diferentes a la nominal. En la parte 3, se desarrollan las expresiones que permiten calcular la temperatura de los bobinados (punto más caliente) para condiciones de carga diferentes a la nominal. Posteriormente se indican las relaciones entre esta tempera tura y la pérdida de vida tanto para temperaturas fijas como para temperaturas que se van modificando. Se indica también como es la fluctuación de la temperatura ambiental y cual su influencia en el envejecimiento. También se define lo que es un ciclo de carga ya que la expectativa de vida del transformador se calcula, en este trabajo, en base a la pérdida de vida de un ciclo que luego se repite en forma igual, durante la vida del transformador. Se indican en la parte 4, las formas más comunes que son hábitos en la selección del transformador por capacidad de carga. Se indican luego, procedimientos que se podrían adoptar. En el caso de cargas fijas se indica compensación por mayor o menor temperatura ambiental que la nominal. En este caso la 6nica compensación que es factible, con la misma expectativa de vida, es la que se acaba de indicar. Para cargas variables se indica el procedimiento de cálculo hora a hora. Este procedimiento puede ser simplificado considerando cargas equivalentes para conjunto de cargas similares y despreciando para el cálculo las cargas que prácticamente no tienen incidencia en la vida en comparación con las otras. Finalmente se dan algunos ejemplos de aplicación con la idea de presentar una forma de cálculo y una forma de emplear la teoría expuesta como aplicación de cálculos prácticos.