Existen aplicaciones donde se adopta el uso de transformadores con múltiples devanados secundarios por diversas razones, que van desde reducir la corriente nominal de la baja tensión (limitación de interruptores o sistema de protección) hasta aumentar las configuraciones disponibles para la conexión de los circuitos involucrados (conexión de múltiples inversores en el caso de generación renovable o subcircuitos de menor potencia en el caso del sistema de potencia).
En estos casos, la conexión comúnmente utilizada en transformadores con múltiples secundarios se basa en dividir el devanado de alta tensión en partes que operan en paralelo, acopladas magnéticamente con cada uno de los devanados de baja tensión, como se puede observar en la figura lateral.
Considerando esta característica constructiva, es importante tener en cuenta en el diseño del equipo y en la parametrización de los sistemas de protección que pueden producirse cortocircuitos en solo uno de los devanados de baja tensión, lo que genera una distribución asimétrica del campo magnético y las fuerzas resultantes internamente en el transformador.
De hecho, es más común que los cortocircuitos se produzcan en solo uno de los devanados, ya que es improbable que un evento operativo típico pueda afectar simultáneamente a ambos devanados de baja tensión en una condición de cortocircuito.
La siguiente figura (imagen izquierda) muestra la distribución de la inducción magnética [T] y los vectores de fuerza de un cortocircuito simétrico que involucra los dos devanados de baja tensión. La misma figura (imagen derecha) muestra la distribución de la inducción magnética [T] y los vectores de fuerza de un cortocircuito asimétrico que involucra solo uno de los devanados de baja tensión.
La siguiente figura (imagen izquierda) muestra la distribución de la inducción magnética [T] y los vectores de fuerza de un cortocircuito simétrico que involucra los dos devanados de baja tensión. La misma figura (imagen derecha) muestra la distribución de la inducción magnética [T] y los vectores de fuerza de un cortocircuito asimétrico que involucra solo uno de los devanados de baja tensión.
Un evento de cortocircuito en un solo devanado de bajo voltaje de transformadores con múltiples secundarios puede crear la falsa impresión de que es un evento de baja intensidad cuando es observado por los sistemas de protección y medición instalados en el lado de alto voltaje.
Este efecto se produce porque, cuando se produce un cortocircuito en solo uno de los devanados de baja tensión, la amplitud de la corriente que fluye desde el lado de alta tensión para alimentar este evento es prácticamente la mitad de la corriente máxima de cortocircuito prevista para el devanado de alta tensión en el diseño del equipo (y que suele estar incluida en los datos de la placa de características).
Esto se debe a que, idealmente, solo la mitad del devanado de alta tensión directamente implicada en el cortocircuito recibe la corriente procedente del evento (sin considerar cualquier pequeño acoplamiento mutuo). La otra mitad del devanado de alta tensión, debido al efecto de conexión en paralelo, prácticamente no se ve afectada por el evento y no presenta un flujo de corriente significativo, como se puede observar con más detalle en la figura siguiente.
Obviamente, este valor máximo de corriente en el lado de alta tensión es una estimación, ya que, en la práctica, el cálculo de la amplitud correcta depende de los parámetros de construcción del transformador, el nivel de tensión y las impedancias del sistema y de cortocircuito involucradas.
Por lo tanto, incluso si la corriente medida en el lado de alta tensión es menor que la amplitud máxima admitida por el equipo, los efectos que se producen en los devanados internos del transformador son tan críticos o incluso más que un cortocircuito completo que afecte a ambos secundarios.
El siguiente vídeo muestra los resultados de la simulación de las fuerzas generadas por un cortocircuito simétrico en los dos devanados de baja tensión (izquierda) y, al mismo tiempo, muestra los efectos de las fuerzas generadas cuando interviene un solo devanado de baja tensión (derecha).
Al analizar el video con más detalle, se observa que los vectores mostrados tienen amplitudes similares. Sin embargo, el campo magnético asimétrico generado en un cortocircuito en un único devanado de baja tensión puede generar fuerzas con mayores amplitudes en puntos específicos del devanado, como en el ejemplo hipotético de este video, en la parte central del conjunto analizado.
Es importante que tanto los fabricantes como los clientes finales de transformadores con múltiples devanados secundarios consideren las características de las ocurrencias de cortocircuito en un solo devanado de baja tensión durante la fase de diseño y al definir los parámetros de protección para estos equipos.
El fabricante debe considerar los efectos asimétricos de las tensiones de cortocircuito en un solo devanado de baja tensión para determinar el margen de seguridad correcto del diseño desde el punto de vista de la capacidad de resistencia a estos eventos operativos intrínsecos del sistema. Los clientes finales, a su vez, deben conocer esta característica operativa de los transformadores con múltiples secundarios para que la protección de estos equipos esté adecuadamente parametrizada.
Además, es importante considerar las características de comportamiento de los transformadores expuestos a cortocircuitos en un solo devanado de baja tensión, como se describe en este informe, cuando se producen fallas definitivas que culminan en la parada del transformador, principalmente para el proceso de análisis y determinación de la causa raíz.