Transformadores Eléctricos

Por ing. Hernán Hernández

Tal como se menciona en la NMX-J-284-ANCE, un transformador es un dispositivo eléctrico que por inducción electromagnética transfiere energía eléctrica de uno o más circuitos, a uno o más circuitos a la misma frecuencia, y transforma usualmente los valores de tensión y corriente.

Este dispositivo es de uso común y lo podemos ver instalado en fraccionamientos, postes, subestaciones e incluso en pozos.

Aunque el funcionamiento es similar entre sí, las características propias de los envolventes y tipo de enfriamiento permite el uso en lugares específicos.

Un poco de historia

El primer transformador eléctrico fue construido por Michael Faraday, en 1831, cuando se disponía a llevar a cabo los experimentos en los que posteriormente descubriría la inducción electromagnética. Los elementos que usó fueron dos bobinas enrolladas, una sobre la otra. Al variar la corriente que pasaba por una de ellas, cerrando o abriendo el interruptor, el flujo magnético -a través de la segunda bobina- variaba y se inducía una corriente eléctrica.

Con el pasar de los años, varios fueron los científicos que llevaron a cabo experimentos con distintas versiones de este primer transformador inventado por Faraday.

Tipos de transformadores

Existen tres tipos de transformadores, dependiendo de la aplicación son seleccionados e instalados.

El transformador se fabrica en materiales que soportan las condiciones de intemperie así como con características específicas de construcción para el tanque que contiene el líquido aislante.

Transformador monofásico

Un transformador monofásico es el que tiene dos polos: fase y neutro. Está formado por dos embobinados: uno de alta y otro de baja. Es común utilizar arreglos de transformador usando dos o tres transformadores para formar un sistema bifásico o trifásico.

Transformador bifásico

El transformador bifásico tiene dos fases y un neutro, por lo que cuentan con 4 embobinados: dos de alta y dos de baja. Es común encontrarlos en instalaciones comerciales o en aplicaciones especiales.

Transformador trifásico

El transformador trifásico tiene tres fases y está formado por 6 embobinados: tres de alta y tres de baja. Este transformador típicamente se conecta en estrella o delta o cualquier combinación de ellas.

En México la tensión eléctrica se genera en diferentes centrales como termoeléctricas, hidroeléctricas, geotérmicas, parque eólicos y fotovoltaicos. Las tensiones en baja tensión se consideran de hasta 1 kV y en media tensión (o mediana tensión) de 1 kV a 35 kV, por lo que los transformadores deben ser seleccionados con respecto a la línea de media o baja tensión a la que será conectado en su lado de alta; por otro lado las terminales de baja es por donde se obtienen las tensiones a 127/220 V que es la que se utiliza en la red de distribución en baja tensión para uso residencial.

Sistemas de preservación del líquido aislante

El transformador se debe diseñar para estar sumergido en aceite o usar gases inertes. Cuando se utiliza un líquido aislante que deba ser contenido, el transformador tiene que diseñarse para cumplir con alguno de los sistemas de preservación del líquido aislante siguientes:
-Sistema de tanque sellado;
-Sistema con gas inerte;
-Sistema con tanque de expansión.

Sistema de tanque sellado

El sistema de tanque sellado es aquel en donde el interior del tanque se sella aislándolo de la atmósfera de forma que el volumen del gas más el del líquido aislante, permanecen constantes en el intervalo de variación de temperatura del transformador en operación. Se recomienda que la presión no sea mayor que 69 kPa (10 psi) o menor que -55 kPa (-8 psi). Para los transformadores de 2 500 kVA o más y con un valor de tensión de aguante al impulso por rayo normalizado de 200 kV o más; el tanque debe proveerse con un dispositivo de alivio de presión-vacío, que se ajusta para operar a las presiones máximas (positivas y negativas) que se indican en la placa de datos.

Sistema con gas inerte

Por otro lado, el sistema con gas inerte es aquel en el cual el interior del tanque se sella con respecto a la atmósfera, en el intervalo de variación de temperatura de operación, por medio de un sistema de presión positiva que se mantiene con gas inerte desde una fuente separada y un sistema de válvula reductora de presión. El sistema debe mantener la presión positiva en el interior del tanque de manera que ésta no sea menor que 7 kPa (1 psi), ni mayor que 55 kPa (8 psi).

Sistema con tanque de expansión

En este sistema, el líquido aislante que contiene el tanque del transformador está sellado con respecto a la atmósfera a través de un tanque de expansión; la variación volumétrica del líquido en el tanque principal se absorbe por el tanque de expansión; conectado al tanque principal y parcialmente lleno de líquido aislante; el volumen del tanque de expansión debe ser tal que mantenga el nivel de líquido aislante satisfactorio para el intervalo de variación de temperatura del transformador en operación.

El tanque de expansión puede aislarse de la atmósfera por medio de alguno de los dispositivos siguientes:
-Respiración a través de un desecador;
-Sellado con gas inerte (Sistema de gas inerte);
-Aislado de la atmósfera mediante una bolsa de neopreno o un diafragma.

Las aplicaciones de los sistemas de preservación del líquido aislante son las siguientes:
-Para transformadores menores que 10 MVA (ONAN) y tensiones menores que 115 kV, se recomienda usar el sistema de tanque sellado;
-Para transformadores de 10 MVA o mayores y tensiones de 115 kV o mayores, se recomienda usar el sistema con tanque de expansión.

Detalles del líquido aislante

Hablando sobre el líquido aislante, éste debe ser no tóxico y con contenido de bifenilos policlorados (BPC), menor que 2 mg/kg (2 p.p.m.), lo cual se considera como libre de este contaminante.

Si el líquido aislante es aceite mineral, debe cumplir con los requisitos de color, contenido de humedad, densidad relativa, resistividad, entre otros y si se utiliza un éster natural, debe cumplir con los requisitos que se indican en la norma mexicana correspondiente.

Clasificación de transformadores

Los transformadores se clasifican de acuerdo con el sistema de enfriamiento. Para transformadores inmersos en líquido aislante, la identificación se expresa por un código de cuatro letras como se describe a continuación:

Primera letra:
Medio de enfriamiento interno
– O: aceite mineral o líquido aislante sintético con punto de ignición menor o igual que 300 °C;
– K: líquido aislante con punto de ignición mayor que 300 °C;
– L: líquido aislante con punto de ignición no medible.

Segunda letra:
Mecanismo de circulación para el medio de enfriamiento interno
– N: flujo natural o de termosifón a través del equipo de enfriamiento y las bobinas;
– F: circulación forzada a través del equipo de enfriamiento, flujo de termosifón en las bobinas;
– D: circulación forzada a través del equipo de enfriamiento, y dirigido del equipo de enfriamiento hacia al menos las bobinas principales.

Tercera letra:
Medio de enfriamiento externo
– A: aire;
– W: agua.

Cuarta letra:
Mecanismo de circulación para el medio de enfriamiento externo
– N: convección natural;
– F: convección forzada (ventiladores o bombas).
Adicional a lo anterior, los transformadores cuentan con boquillas, identificación de terminales, tanques, entre otros componentes que veremos en una futura ocasión.

Existen otros tipos de transformadores que se utilizan para funciones de medición, que se conocen como TC. Un ejemplo sencillo es la pinza del amperímetro que utilizas para medir la corriente de un circuito.