REVISIÓN DE DISEÑO ELECTRODINÁMICO DE TRANSFORMADORES

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La normativa permite verificar la capacidad de un transformador para soportar cortocircuitos de dos formas distintas: mediante ensayos o por cálculo. Los ensayos de aptitud para soportar cortocircuitos de un transformador son caros, además, en el caso de transformadores de grandes potencias, no existen laboratorios en España adecuados para realizar tales ensayos. Por lo que se refiere a los cálculos de aptitud para soportar cortocircuitos, la normativa no especifica cuáles deben ser las fórmulas de cálculo a utilizar.

Para calcular los esfuerzos dinámicos de cortocircuito es preciso calcular la inducción de dispersión en toda la ventana del transformador. La inducción magnética es un vector que tiene un módulo y un argumento, o, si se desea, una componente radial y una componente axial[1].

- Objetivos del proyecto

El presente proyecto es fruto de un acuerdo de colaboración entre la Universidad Carlos III de Madrid y Unión Fenosa Distribución cuyo objetivo es elaborar una aplicación informática básica que sirva como elemento de apoyo en la revisión de diseño a la que se le somete a los transformadores de nueva adquisición.

Dicha aplicación informática pretende, a partir de los datos suministrados por el fabricante sobre la geometría, forma constructiva y materiales empleados, obtener datos tales como la impedancia de cortocircuito del transformador, corrientes de cortocircuito, fuerzas axiales y radiales a las que se ve sometido el transformador durante un cortocircuito y los esfuerzos a los que se ven sometidos los conductores de los arrollamientos y los apoyos en esas circunstancias. Todo ello con el fin de corroborar los cálculos realizados también por el propio fabricante u otras entidades u organizaciones especializadas en la materia, así como asegurar mediante desarrollos analíticos y cálculos numéricos que el transformador cumple con los requisitos que se le exige. Además, la revisión de diseño permite al propietario del transformador conocer el margen de seguridad con el que se ha diseñado cada una de las partes del transformador.

El reciente interés de las compañías eléctricas en este tipo de aplicaciones se debe a que les permitan conocer de forma más detallada los límites de las máquinas que adquieren se sustenta en un único pilar que tiene dos vertientes distintas: La reducción de costes basada en el uso eficiente de los recursos.

Por un lado los fabricantes han introducido cambios sustanciales en la manera de construir un transformador (tales como la disposición de los arrollamientos) con el objeto de reducir los costes de fabricación y ser más competitivos. Por otro lado, las compañías eléctricas se ven obligadas, a través de las formas de remuneración a las que se ven sometidas por parte de los reguladores de la red, a mejorar su gestión de los recursos a través de la eficiencia. Ambas causas han llevado a que los transformadores de hoy en día trabajen en condiciones más duras con un diseño llevado al límite de lo tolerable, lo que ha ocasionado ya graves incidentes ocasionados por el fallo súbito de máquinas en servicio con el consiguiente cruce de acusaciones entre fabricantes y compañías eléctricas.

- Verificación de la capacidad de un transformador para soportar los esfuerzos dinámicos de un cortocircuito

Para demostrar la aptitud de un transformador para soportar cortocircuito se parte de las dimensiones geométricas del arrollamiento y del sistema de sujeción del mismo. La secuencia de cálculos es la siguiente:

- En primer lugar se debe calcular la impedancia que presenta el transformador (impedancia de cortocircuito) en las diferentes tomas

- En segundo lugar se debe calcular el valor de la máxima cresta de corriente que aparece en caso de cortocircuito. Para ello se han de estudiar diferentes cortocircuitos: cortocircuito trifásico en el lado de BT, cortocircuito monofásico en AT, cortocircuito monofásico en BT. El cálculo de estas corrientes de cortocircuito debe hacerse teniendo en cuenta la impedancia del transformador y la impedancia de las redes de AT y BT. Algunos de los cortocircuitos posibles (cortocircuitos bifásicos, cortocircuito trifásico en AT) no se estudian porque someten al transformador a menores esfuerzos que los cortocircuitos estudiados y su consideración demoraría en exceso la ejecución del programa.

- En tercer lugar se deben calcular las fuerzas a las que están sometidos los arrollamientos cuando circulan las corrientes mencionadas en el punto anterior.

- En cuarto lugar se deben calcular los esfuerzos a los que se somete a los conductores y a la estructura como consecuencia de las fuerzas anteriores

- En quinto lugar se deben determinar los máximos esfuerzos que las diferentes elementos del transformador pueden soportar sin alcanzarse deformaciones permanentes y compararlos con los esfuerzos calculados en el punto anterior.

- Estructura del proyecto

El presente proyecto se estructura en siete capítulos. El primero de ellos, el presente “Capitulo 1: Introducción”, se dedica a realizar una pequeña introducción del las motivaciones del proyecto, indicando cual es su propósito, y dando pequeñas pinceladas de los temas que se tratarán en los capítulos posteriores. En el “Capítulo 2: Cálculo de impedancias de cortocircuito”, se exponen los conceptos teóricos utilizados para calcular cada unos de los parámetros de los que constan el modelo de transformador utilizado en el presente proyecto, que son el primer paso para la consecución de los objetivos del mismo. Una vez que se conocen los parámetros que conforman el modelo de transformador, en el “Capítulo 3: Cálculo de corrientes de cortocircuito”, se desarrollan los conceptos teóricos que permiten conocer las corrientes que circular por el transformador cuando este es sometido a distintos tipos de fallos: Cortocircuitos trifásicos, monofásicos, bifásicos, etc. Para ello se hará uso de conceptos básicos como el teorema de Fostescue que nos permite utilizar los conceptos aprendidos sobre sistemas equilibrados, cuando lo que deseamos analizar es un sistema desquilibrado. Posteriormente, en el “Capítulo 4: Cálculo de fuerzas de cortocircuito”, se expone como partiendo de las corrientes de cortocircuito que circulan por el transformador se pueden conocer las fuerzas máximas que este ha a tener que soportar en las condiciones de servicio, así como los esfuerzos a los que se someten las diferentes partes del transformador bajo la acción de dichas fuerzas. Este capítulo dará pie al siguiente, “Capítulo