EL CALENTAMIENTO EN LOS TRANSFORMADORES

Los transformadores, como cualquier máquina eléctrica, generan unas pérdidas que se traducen en calor.

Estas pérdidas son la suma de las pérdidas en el núcleo magnético y las pérdidas de los bobinados.

Tipo de pérdidas en transformadores eléctricos

Las pérdidas del núcleo magnético son pérdidas fijas que se producen al conectar el transformador a su tensión nominal, y no dependen de la carga. Por lo que cuando conectamos un transformador, al cabo de un tiempo observamos un calentamiento en la superficie superior del núcleo que puede llegar alrededor de los 100ºC, sin estar conectada la carga. Estos valores son normales en condiciones nominales de trabajo y subirán si sube la tensión o bien en presencia de armónicos en la red.

Las pérdidas del núcleo suben exponencialmente en presencia de armónicos, por lo que se debe dimensionar el transformador para soportar los armónicos de la red y evitar un sobrecalentamiento que incida en los bobinados y haga subir su temperatura a niveles superiores de los que están diseñados.

Las pérdidas de los bobinados sí que dependen de la carga y se diseñan a partir de unos incrementos indicados por la norma, para que no superen un valor máximo según el tipo de aislante aplicado.

El aislamiento de un transformador nos fijará la temperatura de trabajo final.

Pérdidas hierro y pérdidas bobinado de un transformador

Fórmula rendimiento transformadores

Ejemplo:

Ejemplo de cálculo de rendimiento en transformadores

1.- Clases de aislantes:

Los aislantes, aparte de garantizarnos el nivel de aislamiento y seguridad del transformador, deben soportar una alta temperatura de trabajo. Esta temperatura nos define las diferentes clases de aislantes.

Los aislantes más comunes para la fabricación de transformadores son:

                                                                    Por parte de POLYLUX se aplican:

Clase B            Tmax 130ºC                 Para fabricación de transformadores pequeños

                                                                      Transformadores de maniobra o control.

Clase F            Tmax 155ºC                 Para transformadores medianos <40kVA.

Clase H           Tmax 180ºC                 Para transformadores grandes ≥40kVA.

1.1.           ¿Qué temperatura aguanta un transformador?

Para garantizar un margen de seguridad, la norma aplica unas temperaturas máximas a cumplir dependiendo de la clase de aislamiento escogido, fijando unos incrementos de temperatura del bobinado para una temperatura ambiente máxima de 40ºC.

Clases de calentamientos

Si la temperatura ambiente es mayor o menor el incremento de temperatura se ajusta para que la temperatura máxima no exceda al valor nominal a 40ºC

p.e. si la temperatura ambiente es de 60ºC, y escogemos un aislante clase H, el incremento de temperatura es de 100ºC , para que la temperatura máxima siga siendo 160ºC.

2.- Materiales aislantes para un transformador

A continuación, enumeraremos los elementos aislantes de un transformador, los cuales deben ser igual o superior a la clase de aislamiento escogida para el diseño.

2.1.-     Laminados aislantes flexibles:    

Son laminados que se utilizan para el aislamiento ente capas del bobinado y principalmente para el asilamiento entre los bobinados primario y secundario.

Su característica principal es el nivel de aislamiento en tensión, para garantizar la seguridad del aislamiento según las tensiones nominales del transformador.

El nivel de tensión soportada depende del formato y del espesor del aislante y prácticamente todos los utilizados superan el nivel de 5kV.

Se refuerza el aislamiento aplicando varias capas para aumentar el nivel de seguridad.

Papel aislante

2.2.-     Carretes o perfiles de soporte del bobinado

Estos elementos son los utilizados como soporte del bobinado y también deben de cumplir la clase de asilamiento escogido para la elaboración del transformador.

Carrete / perfil pultrusión

2.3.-     Cintas de sujeción.

Todos los elementos de sujeción del bobinado, se realizan con cintas que también deben cumplir la clase de aislamiento.

Cintas de sujeción

2.4.-     Esmaltes o recubrimiento de las espiras.

Los hilos o pletinas utilizados para bobinar deben tener un aislamiento para evitar el cruce entre espiras.

Al ser la parte en contacto con la superficie del conductor, y ser la que sufre los puntos de mayor calentamiento del bobinado, se utilizan esmaltes o encintados que suelen tener un aislamiento superior al resto de aislantes seleccionados. Por ejemplo, hilos o pletinas esmaltadas clases HC-200ºC

Hilo esmaltado

2.5.-     Bobinados encapsulados en resina.

Las resinas son utilizadas para encapsular el bobinado, dándole una protección extra para ambientes con una gran polución, sobretensiones y un aislamiento reforzado, así como, como elemento autoextinguible si tienen esta propiedad.

Deben ser también de la clase de aislamiento seleccionado.

Transformador con bobinados encapsulados en resina

3.- Dimensionado de los transformadores en función del calentamiento:

Un transformador normal será diseñado para la clase de aislamiento especificada y el calentamiento será el indicado en la tabla del punto 1. Pero a veces, para alargar la vida del transformador se especifica un aislamiento determinado y un calentamiento por debajo del indicado.

p.p.:     Transformador aislantes clase H – calentamiento clase B

Con esto nos están indicando que pongamos aislantes clase H pero que la temperatura de diseño sea de clase B.

En este caso si la Tamb=40ºC, el calentamiento máximo para clase B seria 120ºC, muy por debajo de la temperatura del aislante clase H-180ºC.

El rendimiento evidentemente al calcularlo para temperaturas más bajas será mayor, ya que las pérdidas totales bajarán.

4.- Ensayos dieléctricos.

Para comprobar que el transformador tenga el nivel de aislamiento adecuado, el transformador se somete a un ensayo dieléctrico que consiste en aplicar una tensión de 3kV o superior (a requerimiento del cliente) para tensiones nominales <1100V, durante un minuto a la frecuencia nominal 50Hz (tensión aplicada o soportada).

Se aplican entre bobinados a masa y entre bobinados.

Si la intensidad de fuga es superior al nivel garantizado o bien hay una perforación, nos indicará que hay defecto del aislamiento.

Para transformadores del ALTA TENSION, se aplican otros valores de tensión de prueba y se realizan otros ensayos. (véase tabla IEC/EN 60076-3).

Niveles de la tensión de ensayo IEC/EN 60076-3

Para tensiones nominales >=1,1kV se realizan otros ensayos de aislamiento:

- Ensayo tipo rayo : Este tipo de prueba tiene por objeto demostrar la capacidad del equipo para soportar una onda de ensayo de tensión de alta frecuencia aplicada a los bornes de los arrollamientos del transformador, comprobando la resistencia al impulso a lo largo del devanado ensayado, como así también la resistencia de cada parte del bobinado ensayado a tierra y a los otros arrollamientos

- Ensayo tensión inducida: Consiste en aplicar el doble de la tensión nominal a una frecuencia mas alta de la nominal para que no sature el núcleo (unos 300Hz). Y este ensayo nos mide el nivel de aislamiento entre espiras en los bobinados de ALTA.             

5.- Ensayos de calentamiento:

Los ensayos de calentamiento del transformador nos sirven para verificar los incrementos de temperatura del diseño e indicados en la norma.

Se realizan por el método de cálculo de la variación de resistencia del bobinado, el cual nos indicará el incremento de temperatura.

Se deben de medir las resistencias en frio antes de iniciar el ensayo y después en caliente cuando llegue a régimen.

Se realiza haciendo circular por los bobinados del transformador, la intensidad nominal y mediante sondas de temperatura se deja en régimen hasta que no haya variaciones superiores de 1º a 2ºC en un intervalo de una hora.

6.- Efectos del calentamiento:

Los principales efectos por un calentamiento excesivo del transformador son:

• Reducción de la vida útil del aislamiento

• Pérdida de eficiencia por el aumento de las pérdidas

• Incremento del consumo de energía

• Aumento del coste de explotación de la instalación.

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El sobrecalentamiento puede llevar a la destrucción del aislamiento y el consecuente cruce y daño irreversible del transformador.

7.- Prevención del calentamiento:

Para evitar el sobrecalentamiento se deben tomar las siguientes medidas:

-          Mantenimiento regular con inspecciones periódicas revisando temperaturas, apriete de conexiones y midiendo las tensiones e intensidades que deben de estar por debajo de los valores nominales del transformador.

-          Dimensionado adecuado de las protecciones contra sobrecargas de un calibre menor o igual a la intensidad nominal del transformador y con una curva de disparo rápida.

-          Se pueden pedir los transformadores con sensores de temperatura para poder monitorizar con centralitas de temperatura que nos actúen sobre las protecciones o refrigeraciones externas.

Los sensores más utilizados para controlar el calentamiento son:

• Sondas bimetálicas: cuando llegan a la temperatura cambian de estado para poder activar relés o protecciones externas.

  
  

Suelen ponerse dos calibres de temperatura de accionamiento para ALARMA o DISPARO de actuadores, o bien solo para DISPARO.

• Sondas PTC: al igual que los bimetales su cambio de estado pueden activar dispositivos de control.

  
  

• Sondas PT100: Sirven para ser monitorizadas por una centralita y poder medir la temperatura a tiempo real. Estas centralitas disponen de contactos para poder hacer actuaciones de ALARMA o DISPARO.

Sondas PTC         Sondas PT100         Centralita de temperatura

8.- Conclusiones

Los aislantes aplicados en el diseño del transformador serán los que nos limitarán el calentamiento del transformador.

Un buen diseño y unos buenos aislantes harán que mejore la vida del transformador, así como su rendimiento.

En POLYLUX trabajamos para cumplir los calentamientos indicados en la norma y adecuar los diseños según las necesidades de trabajo de nuestros clientes.

Diseñamos envolventes para poder cumplir la refrigeración y así garantizar temperaturas de trabajo correctas y también disponemos de dispositivos de control de temperatura para monitorizar el calentamiento.

📲 Contacta con nosotros para diseñar el transformador que mejor se adapte a tu tipo de instalación.

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FEGIME España S.A. es el grupo de distribución de material eléctrico líder indiscutible del mercado español. Y lo es por su cuota de mercado como por su cobertura geográfica, con más de 163 puntos de venta, 27 empresas asociadas en España y Andorra y con presencia en 24 países. En 2024, en España facturó un consolidado de 566 millones de euros en venta de material eléctrico, alcanzando una cuota de mercado del 11%