**Letras de Refrigeración de un Transformador (Norma UNE)**

Primera Letra: Tipo de Refrigerante de los Bobinados

  • Los aceites minerales o líquidos aislantes con un punto de inflamación inferior o igual a 300°C se designan con la letra **O**.
  • Los líquidos aislantes con punto de inflamación superior a 300°C se designan con la letra **K**.
  • Los líquidos aislantes con un punto de inflamación no medible se designan con la letra **L**.

Segunda Letra: Modo de Circulación del Refrigerante de los Bobinados

  • Circulación natural: letra **N**.
  • Circulación forzada: letra **F**.

Tercera Letra: Tipo de Refrigerante Utilizado Externamente

  • Aire: letra **A**.
  • Agua: letra **W**.

Cuarta Letra: Modo de Circulación del Refrigerante Externo

  • Convección natural mediante uso de radiadores o intercambiadores: letra **N**.
  • Circulación forzada mediante el uso de ventiladores o bombas hidráulicas: letra **F**.

**Condiciones de Acoplamiento en Transformadores en Paralelo**

Se conectan transformadores en paralelo cuando la carga demandada por el usuario es mayor que la capacidad de un solo transformador. Al operar en paralelo, los transformadores suministran la potencia requerida conjuntamente.

**Relés de Protección**

Relé DGPT2

Utilizado en transformadores de llenado integral, este relé protege contra la emisión de gases, incrementos de temperatura y aumentos de presión. Dispone de dos niveles de control: alarma y disparo, según la velocidad de emisión de gases.

Relé Buchholz

Instalado en la canalización que une la cuba con el depósito de expansión, detecta la emisión de gases producida por incidentes eléctricos en los bobinados sumergidos en aceite. Al detectar el problema, envía una señal de apertura al ruptofusible. La mirilla permite observar el color de los gases, indicando la naturaleza del problema:

  • Blanco: Destrucción del papel.
  • Amarillo: Madera deteriorada.
  • Negro o gris: Descomposición del aceite.
  • Rojo: Problemas con el aislamiento de los bobinados.

El relé detecta cortocircuitos entre espiras, arrollamientos, entre arrollamientos y núcleo, así como interrupciones de fase, sobrecargas excesivas y pérdidas.

**Finalidad y Uso del Transformador (Solo CA)**

El transformador es una máquina eléctrica estática que transforma la tensión alterna, aumentando o disminuyendo su valor y, consecuentemente, reduciendo o aumentando la corriente. En transformadores monofásicos ideales (sin pérdidas), la potencia aparente demandada a la red es igual a la potencia aparente suministrada por el transformador.

Son elementos fundamentales en el sistema eléctrico, adaptando tensiones y corrientes a las necesidades de la red para transportar energía desde las centrales hasta los consumidores con el mayor rendimiento posible. Esto implica elevar las tensiones para el transporte a largas distancias y luego reducirlas cerca de los centros de consumo.

  • Los alternadores generan energía eléctrica con tensiones entre 6 y 18 kV.
  • El transporte es más económico a alta tensión (AT) debido a la menor corriente y sección de los conductores, reduciendo las pérdidas por efecto Joule.
  • El consumo de energía eléctrica se realiza a tensiones bajas, 230 V o 400 V.

**Principio de Funcionamiento de un Transformador**

Un transformador es una máquina eléctrica estática y reversible que modifica tensión e intensidad para una potencia dada, manteniendo constante la frecuencia de la red. Funciona solo en corriente alterna, ya que en corriente continua el flujo magnético no sería variable y no se induciría tensión en el devanado secundario.

Al conectar el devanado primario a una fuente de tensión alterna, circula una corriente que origina un campo magnético variable que se cierra a través del núcleo. Esta variación induce una fuerza electromotriz en el devanado secundario, según la ley de Faraday.

**Corrientes de Foucault**

Son corrientes parásitas inducidas en el núcleo del transformador al ser atravesado por un campo magnético variable producido por la bobina primaria.

**Tensión en Cortocircuito**

Es la tensión que se debe aplicar al bobinado primario para que, estando en cortocircuito el devanado secundario, circule por cada uno de ellos su intensidad nominal. La tensión medida en el primario en ese momento es la tensión de cortocircuito.

**Máquina Eléctrica Estática**

Se define como aquella máquina que no tiene partes móviles en funcionamiento normal. Transforma la energía eléctrica, con valores de tensión y corriente alternas (U, I), en energía eléctrica generalmente con otros valores de tensión y corrientes alternas.

**Índice Horario**

Es un número que, multiplicado por treinta grados, define el ángulo de desfase entre las tensiones primarias y secundarias. Por ejemplo, 11 x 30 = 330°, 6 x 30 = 180°.

**Válvula de Sobrepresión**

Protege contra posibles deformaciones o roturas en la cuba debido a presiones elevadas.

**Transformador de Medida de Intensidad**

Se utiliza para obtener una corriente menor pero proporcional a la que discurre por una línea de alimentación.

**Constitución y Elementos del Transformador**

Configuración Interna

El interior de un transformador consta de un circuito magnético y dos circuitos eléctricos, sumergidos en un fluido refrigerante para mitigar el aumento de temperatura debido al paso de la corriente.

Circuito Magnético

Formado por un conjunto de chapas de acero de bajo espesor (aproximadamente 0.3 mm) aleadas con silicio, denominado núcleo. El núcleo siempre está conectado a tierra. La disposición del núcleo (en columnas o acorazado) clasifica los transformadores.

Circuito Eléctrico

Constituido por dos bobinados (primario y secundario) devanados sobre el núcleo magnético. El devanado que recibe energía es el primario (receptor), y el que suministra energía a las cargas es el secundario (generador).

**Conmutadores de Tensiones o Cambiadores de Tomas**

Los transformadores están equipados con dispositivos que permiten mantener estable la tensión de salida y reaccionar a modificaciones de la tensión de alimentación o variaciones de carga.

  • Conmutadores de tensión en vacío: Se manipulan sin carga en el secundario, variando la tensión y la relación de transformación.
  • Conmutadores de tensión en carga: Adaptan dinámicamente la tensión en el secundario según la tensión del primario y la carga. Generalmente, están asociados a un sistema de control y regulación automático controlado por la empresa operadora de la red.

Los conmutadores de tensión en carga se clasifican en:

  • Con tecnología de conmutación al vacío: Mejoran la capacidad de corte, incrementan la vida de los contactos y reducen el mantenimiento.
  • Sin tecnología de conmutación al vacío.

**Configuración Externa del Transformador**

  • Cuba: Depósito que contiene el líquido refrigerante (aceite) y donde están inmersos los bobinados y el núcleo.
  • Bornes o pasatapas: Elementos de conexión eléctrica, tanto de entrada como de salida. Los transformadores tienen tres bornes de media tensión para la conexión a la red de entrada y cuatro bornes de baja tensión para la conexión con la red de salida.
  • Depósito de expansión de aceite: Situado en la parte superior de la cuba, se comunica con ella y absorbe las dilataciones del aceite, garantizando el llenado de la cuba. Lleva asociado un nivel dependiente de la temperatura.
  • Placa de características: Situada en un lateral y visible, indica tensiones nominales, potencia, intensidades, tensión de cortocircuito, grupo de conexión e índice horario.
  • Misión del depósito de expansión: Absorber las dilataciones del aceite al calentarse y garantizar el llenado de la cuba.
  • Desecador de silicagel: Asegura que el aire que entra esté totalmente seco.
  • Relé Buchholz: Detecta gases en el interior de la cuba.

**Interruptor Automático**

Protege contra sobreintensidades, desconectando el circuito si hay una corriente superior a la prevista en cualquiera de las fases. La detección la realiza un relé de sobreintensidad temporizado. La protección puede ser:

  • Tipo directo (electromecánico): Se instala en el circuito principal y su apertura se provoca por actuación directa sobre el interruptor a través de un sistema de timonería y/o disparo. Actúa frente a sobrecargas por la acción de un bimetal y ante cortocircuitos por el campo producido por la intensidad que atraviesa una bobina.
  • Tipo indirecto (electrónico): Dispone de elementos captadores instalados en el circuito principal que proporcionan una señal a un relé, que actúa sobre un elemento de disparo o alarma.

**Termostato**

Se sitúa en contacto con el aceite del transformador y dispone de contactos ajustables a la temperatura deseada. Al alcanzar un valor peligroso, se activa un circuito eléctrico que abre el ruptofusible. En transformadores pequeños se usa un termómetro de columna; en transformadores de potencia elevada se utiliza el termómetro de esfera, con contactos ajustables para alarma o disparo. Para detectar la temperatura en transformadores de aislamiento seco en resina epoxi, se instala una sonda PTC con un conversor electrónico que puede desconectar o dar alarma al superar la temperatura establecida.

**Designación de Bornes**

La designación de bornes en los lados de alta y baja tensión se observa en la tapa de la cuba del transformador.

**Designación de un Transformador**

Ejemplo: 400/16/12/B2/ONAN/PE/UNESA/Dyn11

  • 400 = Potencia nominal del transformador en kVA.
  • 16 = Tensión máxima de alimentación en el primario en régimen permanente.
  • 12 = Tensión nominal en el primario en kV.
  • B2 = Tensión en el secundario (trifásica 400V-230V).
  • ONAN = Circulación del aceite en forma natural y enfriamiento por aire en forma natural.
  • UNESA = Fabricante.
  • Dyn11 = Configuración del devanado.

**Funcionamiento en Régimen de Carga**

Cuando se conecta una carga Z al secundario del transformador, se dice que está en régimen de carga. Al conectar el bobinado primario a la tensión U de la red, circula una corriente I. Esta corriente, denominada corriente primaria de carga, genera un flujo magnético Φ₁. Al estar cerrado el bobinado secundario, circula una corriente I₂, denominada corriente secundaria de carga, que genera otro flujo magnético Φ₂. La combinación de estos flujos da como resultante el flujo de vacío Φ₀, que induce en el devanado secundario una tensión U₂.

**Conexión de Devanados**

  • Estrella: Cada fase soporta una tensión menor que la de la red, aumentando la resistencia mecánica. Se pueden utilizar dos tensiones.
  • Triángulo: Cada bobinado soporta la tensión de la línea y, respecto a la configuración en estrella, el número de espiras es mayor. Por cada fase circula menor corriente que por la línea, por tanto, la sección de los conductores es menor. No dispone de neutro. Se denomina D (devanado en AT) o d (devanado en BT).
  • Zigzag: Se utiliza para evitar desequilibrios. Consiste en dividir el devanado de cada fase en dos mitades y bobinarlos en sentido contrario, conectándolos en serie por columnas consecutivas y cerrando en estrella. Se denomina Z (devanado en AT) o z (devanado en BT).

**Pérdidas en el Transformador**

En un transformador ideal (sin pérdidas), la energía solicitada por el primario coincide con la energía entregada por el secundario.

Pérdidas en el Transformador Real

La existencia de resistencia en los conductores de los devanados provoca:

  • Pérdidas de energía por efecto Joule (pérdidas en el cobre).
  • Afectan a la tensión existente en el secundario, que depende de la corriente demandada por la carga.
  • La existencia de reluctancia (oposición al paso del flujo).
  • No todo el flujo generado por el primario es confinado y conducido hasta el secundario a través del núcleo; una pequeña fracción circula por el aire (flujo de dispersión).

Pérdidas en el Cobre

Se producen debido al efecto Joule (pérdida en forma de calor en los bobinados) y dependen del valor de la intensidad que los atraviesa. Para calcularlas, se tienen en cuenta las pérdidas en cada uno de los bobinados.

Pérdidas en el Hierro

  • Corrientes de Foucault.
  • Histéresis magnética: Cuando un campo magnético ha actuado sobre un material ferromagnético, este presenta una magnetización que se mantiene mientras duren los efectos de dicho campo. Al cesar el campo, los materiales aún presentan inicios de imanación. Ejemplos de máquinas: transformadores, motores y generadores.

**Tipos de Ensayos: Ensayo en Vacío y Cortocircuito**

Ensayo en Vacío

Permite determinar la relación de transformación y la potencia perdida en el hierro mediante la lectura directa de los instrumentos conectados. El vatímetro indica las pérdidas en el hierro.

Ensayo en Cortocircuito

Permite obtener la potencia perdida por el efecto Joule (pérdidas en el cobre). Se cortocircuita el secundario, conectando el primario a tensión y aumentando progresivamente el valor de la tensión hasta que los amperímetros marquen los valores nominales correspondientes.

**Transformadores con Dieléctrico Líquido**

Los devanados están sumergidos en un líquido (aceite mineral o líquido biodegradable) que actúa como dieléctrico. Pueden ser:

  • De llenado integral: Utilizados habitualmente en redes de distribución. La cuba del transformador está formada por aletas elásticas de chapa de acero que permiten absorber las variaciones de volumen al aumentar la temperatura del líquido refrigerante.
  • Con depósito de expansión: Utilizados habitualmente en subestaciones y redes de transporte.

**Funcionamiento en Régimen de Vacío**

Un transformador funciona en vacío cuando el primario está conectado a una fuente de tensión alterna y no tiene ninguna carga o receptor conectado en el secundario. En esta situación, no hay intensidad de corriente eléctrica circulando por el devanado secundario (I₂ = 0). Por el primario circula una pequeña corriente eléctrica (intensidad de vacío I₀), que genera un flujo magnético en el núcleo Φ₀. Este flujo induce una tensión en el devanado secundario U₂.

La relación entre las tensiones primaria y secundaria viene dada por la relación entre el número de espiras de los devanados, conocida como relación de transformación (m).

**Clasificación de los Transformadores**

Los transformadores se pueden clasificar según diversas consideraciones:

  • Según su función: Elevadores (aumentan la tensión) o reductores (disminuyen la tensión).
  • Según el elemento refrigerante: Secos o de baño en aceite.
  • Según el tipo de refrigeración: Natural o forzada.

Según la Potencia Transformada

  • De potencia: Para el transporte de energía eléctrica en alta tensión.
  • De medida: Reducen los valores elevados de tensión o intensidad a valores menores pero proporcionales, permitiendo realizar medidas sin adaptar los aparatos.
  • De comunicaciones: Para trabajar con tensiones y frecuencias variables, empleados en aplicaciones electrónicas.
  • Según el sistema de corrientes: Monofásicos o trifásicos.
  • Transformador de seguridad: Tensión de entrada y de salida iguales.

**Transformador de Distribución**

Los transformadores de distribución usados habitualmente son trifásicos de media tensión y baja tensión, empleados para distribuir la energía en baja tensión a ciudades y fábricas de tamaño medio. Las potencias normalizadas son: 50, 100, 160, 250, 400, 630, 1000 kVA. Pueden ser en seco o utilizar un baño en aceite.

Características Generales de los Transformadores de Distribución

Las características a tener en cuenta al diseñar un transformador de distribución son:

  • Potencia asignada o nominal: Valor de potencia aparente que puede suministrar el secundario, referido a la tensión nominal en las condiciones de temperatura preestablecidas.

Los refrigerantes fluidos más comunes son:

  • Aceite mineral: Biodegradable y de larga vida, pero combustible.
  • Aceite de silicona: Biodegradable y presenta combustión a temperaturas superiores a 320 grados.
  • Resina: Tendencia actual, los devanados van encapsulados en vacío mediante resina fundida.

**Características del Transformador de Medida de Intensidad**

  • El devanado primario se conecta en serie con el circuito, a diferencia de los transformadores de potencia y tensión, que se conectan en paralelo. Posee pocas espiras de hilo grueso para no producir caídas de tensión en la línea.
  • La intensidad secundaria está normalizada en cinco amperios; en casos de gran distancia entre el transformador y el aparato de medida, se usan intensidades secundarias de un amperio.
  • Los valores estandarizados para la intensidad del devanado primario son: 5, 10, 15, 25, 30, 75, 100, 150, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000 y 10000 Amperios.
  • El devanado secundario se conecta a tierra según la normativa de seguridad para evitar tensiones peligrosas en caso de fallo de aislamiento entre el primario y el secundario.
  • Los instrumentos de medida no deben sobrepasar la potencia nominal del transformador.
  • En los bornes P1 y P2 no existe tensión elevada ni constante como en los de potencia y tensión; la tensión primaria es la caída de tensión que produce el bobinado primario de la línea principal.
  • Nunca se debe dejar el secundario a circuito abierto, ya que por el primario circula la corriente de la red, y toda esa corriente sería de excitación, sin corrientes secundarias que la contrarresten, lo que puede dar lugar a tensiones secundarias peligrosas.
  • Un tipo particular es la variante de barra pasante, donde el devanado primario lo constituye el propio conductor, pletina o cable que transporta la corriente objeto de medida.
  • Se utilizan desde cincuenta hasta diez mil amperios de intensidad primaria.

**Transformador de Medida de Tensión**

Se utiliza para obtener una tensión menor pero proporcional a la de la línea de alimentación, siendo un instrumento de medida.

Características

Su funcionamiento es análogo al de potencia, donde el devanado primario se conecta en paralelo a la red. Los valores normalizados para la tensión primaria son: 110, 220, 380, 440, 2200, 3300, 5500, 6600 y 11000 V. El valor normalizado de tensión secundaria es de 110 voltios. Al igual que en los de intensidad, se debe conectar a tierra el secundario como medida de seguridad. No debe sobrepasarse el valor de la potencia nominal del transformador, siendo las potencias normalizadas 10, 15, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300 y 400 VA.

En estos transformadores, el número de espiras del primario es mayor que el del secundario, reduciendo la tensión. Dada la alta impedancia de las bobinas voltimétricas, estos transformadores trabajan muy próximos al régimen de vacío, por lo que no hay inconveniente en dejarlos en circuito abierto.