¿Existe un punto de equilibrio en la relación entre potencia y tensión para el diseño de transformadores? No existen registros en la literatura (al menos no identificados por mí) que definan completamente esta relación, pero cuando el transformador presenta características que difieren considerablemente entre su nivel de tensión y su potencia de operación, surgen desafíos técnicos que deben superarse durante la fase de cálculo y diseño para garantizar el pleno funcionamiento de este equipo en campo.
Los desafíos del diseño de transformadores de baja tensión y alta potencia ya se abordaron, y en este artículo se analizarán los desafíos técnicos del diseño de transformadores de baja potencia para sistemas de alta tensión. Las características descritas en este artículo son de aplicación general, pero como referencia, se pueden considerar transformadores con una clase de tensión ≥138 kV y una potencia trifásica de hasta ≤15 MVA (o, respectivamente, una potencia monofásica de hasta ≤5 MVA).
Características constructivas de los devanados y distribución de capacitancias.
En general, los puntos más críticos en el diseño de estos transformadores de baja potencia, sometidos a altos niveles de tensión, se relacionan principalmente con el dimensionamiento dieléctrico del aislamiento del devanado. Las reducidas dimensiones de los cables y de los propios devanados (tamaño reducido debido a la baja potencia) definen valores muy específicos para las capacitancias internas, que se utilizan en los modelos generados para calcular la distribución de las tensiones dieléctricas internas.
En general, se observa una tendencia a la disminución de la capacitancia en serie y un cambio no directamente proporcional en el valor de la capacitancia en paralelo, lo que altera el factor alfa (𝛼), utilizado para calcular la distribución de tensión en el devanado (factor de amortiguamiento de la señal de tensión a lo largo del devanado). Este cambio no sincronizado de la capacitancia en serie con respecto a la capacitancia en paralelo puede causar una distribución de tensión atípica dentro del devanado que, si no se prevé en el diseño, puede comprometer el aislamiento, especialmente en la zona de las espiras de entrada.
Distribución del campo eléctrico en los devanados
Los devanados de un transformador con un alto nivel de voltaje y baja potencia exhibirán una concentración de campo eléctrico en los extremos de las bobinas por dos razones principales:
- La primera razón es que la dimensión radial de estos devanados es relativamente menor y, como ya se ha definido en la literatura, el campo eléctrico presenta una mayor amplitud en elementos potenciados con características geométricas de radios pequeños. Esta condición, que genera una dimensión radial significativamente reducida de los devanados, dificulta la inserción de elementos para igualar el campo eléctrico en los extremos, como anillos equipotenciales y elementos aislantes para el sobreaislamiento de estos puntos críticos (vainas y otros materiales aislantes moldeados).
- La segunda razón se relaciona con la gran diferencia de diámetros entre los devanados de baja y alta tensión. Dado que esta configuración genera una alta rigidez dieléctrica en los extremos del devanado (debido al grosor en función de la distancia entre ellos), el canal de aislamiento entre los devanados de baja y alta tensión es relativamente grande, lo que altera la distribución del campo eléctrico y aumenta el requerimiento dieléctrico cerca del devanado de menor diámetro. Para visualizar este fenómeno, se utilizó un software de elementos finitos para realizar una simulación numérica de un modelo simplificado de dos devanados concéntricos con diámetros significativamente diferentes, que se muestra en la siguiente figura. Los resultados de la siguiente figura muestran que el campo eléctrico no es constante en el canal de aislamiento entre los devanados y presenta una disminución no lineal con un valor mucho mayor cerca del devanado de menor diámetro (para devanados con diámetros similares, el campo eléctrico en el canal de aislamiento entre ellos tiene una característica más estable y una amplitud menor).
Diseño de bobinado de regulación.
En el diseño de transformadores de menor potencia, se utilizan relativamente más espiras para lograr un diseño equilibrado para el mismo nivel de tensión. Por lo tanto, los devanados de regulación, que normalmente están diseñados para ajustes de hasta el 10 % en pasos del 1,25 %, deben diseñarse considerando este mayor número de espiras. A modo de ejemplo, manteniendo el mismo nivel de tensión de un transformador (por ejemplo, 138/13,8 kV) y disminuyendo su potencia, el número de espiras en cada paso de regulación cambia aproximadamente como se muestra en la siguiente tabla:
Características de los elementos de conexión del bobinado
Los transformadores de baja potencia y alta tensión presentan niveles de corriente muy bajos y, por lo tanto, si solo se considera la corriente al dimensionar los cables y los elementos de conexión de la parte activa, puede generarse un campo eléctrico muy alto, incluso superior a la capacidad de resistencia dieléctrica del fluido aislante, lo que propicia la ruptura dieléctrica (descarga eléctrica). Por lo tanto, en estos casos, es necesario dimensionar el diámetro del conductor y su respectivo aislamiento considerando el nivel de tensión que se impondrá en estos puntos del transformador durante las pruebas de liberación del equipo o después de su funcionamiento.
Distribuição do campo elétrico em elementos de ligação da parte ativa.
Fonte: Dissertação de Odirlan Iaronka disponível Neste Link.
Consideraciones finales
El objetivo de este artículo fue describir algunos puntos de diseño que deben tenerse en cuenta al diseñar transformadores de baja potencia sujetos a los requisitos dieléctricos de los sistemas de alta tensión. En general, los puntos más críticos se relacionan con el aislamiento dieléctrico de estos transformadores, que debe evaluarse y ajustarse a un nivel superior según los resultados obtenidos durante la fase inicial de diseño y cálculo. Para esta evaluación, por ejemplo, se pueden utilizar formulaciones analíticas cuando se trabaja con geometrías conocidas, o herramientas de simulación de elementos finitos y herramientas numéricas cuando se trabaja con geometrías complejas o que carecen de características que permitan la aplicación de estudios con simetría planar o axisimétrica.
Ahora bien, corresponde hacer un comentario respecto al costo de fabricación/adquisición de estos transformadores especiales discutidos en los artículos anteriores (Transformador de baja tensión y alta potencia y Transformador de alta tensión y baja potencia): ambas situaciones encarecen el activo debido a la cantidad de materia prima necesaria, a la que se suma el diseño eléctrico, magnético, térmico y mecánico para garantizar el mismo margen de seguridad de un equipo con una relación equilibrada de los parámetros Potencia X Voltaje.