Un transformador de distribución o transformador de servicio de voltaje medio es un tipo de transformador que proporciona la transformación de voltaje final en el sistema de distribución de energía eléctrica, lo que reduce el voltaje utilizado en las líneas de distribución al nivel utilizado por el cliente.
Los niveles prácticos de voltaje a menudo se denominan voltaje medio, lo que significa que el voltaje de entrada al transformador está en el orden de entre 5 kV y 35 kV. Algunos voltajes de distribución pueden superar los 35 kV y se considerarían de alto voltaje, pero la mayoría del sistema de distribución está dentro del rango de voltaje medio. Los transformadores de distribución modernos se fabrican de acuerdo con muchas normas, especialmente según el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) y la Comisión Electrotécnica Internacional (International Electrotechnical Commission, IEC).
En los Estados Unidos, las características y la funcionalidad de la mayoría de los transformadores de distribución se incluyen en la norma C57.12.00 del IEEE (Requisitos generales estándar para transformadores de regulación y energía de distribución sumergida en líquidos), sin embargo, hay una multitud de normas que se aplican a tipos y aplicaciones específicos de transformadores, incluidos los transformadores de tipo subestación, tipo compartimental de montaje en plataforma, transformadores montados en polo monofásicos, transformadores de trabajo de generadores, transformadores de alta temperatura y muchos más.
El transformador tipo subestación es el corazón de la subestación eléctrica. Este transformador cambia la relación entre el voltaje y la corriente de entrada y el voltaje y la corriente de salida. Los transformadores tipo subestación están clasificados por su relación de voltaje primario y secundario y su capacidad de transporte de energía. Por ejemplo, un transformador tipo subestación típico tendría una capacidad nominal de 15 kV, 25 kV, 35 kV o 46 kV en el primario a una potencia nominal de aproximadamente 5-20 MVA. El voltaje secundario o bajo puede ser de 15 kV a 5 kV o incluso menos de 600 V. El diseño y la funcionalidad del transformador estilo subestación está dictado por las normas C57.12.00 y C57.12.36 del IEEE. Estos tipos de transformadores están compuestos de un núcleo y bobinas sumergidas en aceite o fluido dieléctrico en un tanque de acero. El aceite o fluido sirve como aislante y como refrigerante para mantener el núcleo a temperaturas de operación confiables. Las unidades de subestación se identifican fácilmente por sus bujes, medidores, paneles o equipos de monitoreo expuestos y, por lo general, se ubican detrás de una cerca o en un área restringida.
Un transformador trifásico sobre pedestal es un transformador de distribución de energía eléctrica montado en tierra en un gabinete de acero bloqueado montado en una plataforma de hormigón. Estos tipos de transformadores generalmente son más pequeños (45 a 5000 kVA), pero también pueden producirse en estaciones de mayor tamaño (hasta 10 MVA). Estos se instalan en lugares cercanos o dentro de áreas públicas. El diseño de transformador compartimental, con resistencia a la manipulación, sobre pedestal, lo hace ideal para aplicaciones donde la seguridad pública es imprescindible. El diseño y la funcionalidad generales están dictados por la norma C57.12.34 del IEEE, mientras que la naturaleza de resistencia a la manipulación del transformador sobre pedestal está dictada por la norma C57.12.28 o C57.12.29 del IEEE para áreas costeras.
Los transformadores monofásicos sobre pedestal se instalan comúnmente en áreas residenciales y están diseñados para la distribución de energía a través de sistemas subterráneos. Las características y la disposición de los transformadores monofásicos sobre pedestal se pueden encontrar en la norma C57.12.38 del IEEE. Estos transformadores son normalmente de 10-167 kVA (hasta 250 kVA según el alcance de las normas del IEEE) y hasta 35 kV en el primario.
Los transformadores monofásicos montados en postes se instalan con frecuencia en áreas residenciales, pero también pueden ser comunes para pequeñas empresas que requieren energía trifásica de un banco. Estos transformadores pueden variar en tamaño desde tan pequeños como 5 kVA hasta tan grandes como 500 kVA, con voltajes de hasta 35 kV de línea a línea. Los bancos de transformadores montados en postes permiten conectar tres unidades monofásicas a un sistema trifásico para distribuir a través de líneas aéreas. Los estilos de conexión de devanado, los estándares de montaje y la disposición y la funcionalidad generales cumplen con la norma C57.12.20 del IEEE.
Los transformadores ventilados de tipo seco son dispositivos de cambio de voltaje (de aumento o reducción) o de aislamiento que se enfrían con aire en lugar de líquido. La carcasa del transformador está ventilada para permitir que el aire fluya y enfríe las bobinas. Para operaciones en exteriores, un gabinete de transformador de tipo seco generalmente tendrá rejillas para ventilación. Los transformadores de tipo seco se adhieren a las normas C57.12.01 y C57.12.91 del IEEE, con clasificaciones de 15 kVA a 30 MVA, y voltajes primarios superiores a 601 V.
Las clasificaciones son el plano fundamental para describir las características de rendimiento y el estilo de un transformador.
Las clasificaciones estándar para los tipos de transformadores de distribución se encuentran en los estándares de productos del IEEE, incluidos los siguientes:
kVA: Los transformadores se clasifican en kilovoltios-amperios (kVA). kVA se utiliza para expresar una clasificación de transformador porque no todas las cargas del transformador son puramente resistivas. El componente resistivo consume energía que se mide en vatios, mientras que el componente reactivo consume energía que se mide en VAR. La suma vectorial de estas dos cargas es la carga total, VA o kVA
Voltaje: la designación de voltaje define tanto la forma en que se puede aplicar un transformador a un sistema como el diseño del transformador. La norma C57.12.00 del IEEE define la designación de las clasificaciones de voltaje de los transformadores monofásicos y trifásicos.
Ejemplos de designación de voltaje:
Trifásico
Monofásica
Aumento de la temperatura: Una clasificación de kVA se basa en la corriente que el transformador puede transportar sin exceder su clasificación de aumento de temperatura. Cuanto más se carga un transformador, más alta es su temperatura interna. El aumento máximo de temperatura que el transformador puede soportar sin pérdida anormal de vida útil se rige por las especificaciones del cliente o por las normas del IEEE
Fluido: Durante más de un siglo, los transformadores han utilizado aceite mineral convencional como refrigerante dieléctrico. Ofrece un costo razonable con un rendimiento comprobado, confiable y a largo plazo. Los procedimientos de mantenimiento están bien establecidos y el aceite mineral usado generalmente puede reacondicionarse para su uso mediante filtración y desgasificación. El punto de fuego del aceite mineral es de aproximadamente 155 oC, mientras que el punto de fuego de un fluido menos inflamable es superior a 300 oC. Esto hace que los fluidos menos inflamables, como Envirotemp FR3, sean la mejor alternativa para instalaciones en interiores, en la parte superior de edificios o en áreas de alto tráfico peatonal. El uso de fluidos menos inflamables es reconocido como un método para reducir el riesgo de incendio, en interiores y exteriores, por el Código Eléctrico Nacional (NFPA 70) y el Código Nacional de Seguridad Eléctrica
| Clasificaciones clave |
| kilovoltios-amperios (kVA) |
| Voltaje primario |
| Voltaje secundario |
| Nivel Básico de Impulso (BIL) |
| Impedancia |
| Frecuencia |
| Tipo de enfriamiento |
| Aumento de la temperatura |
Hay dos opciones distintas para la conexión de alto voltaje de un transformador.
Frente vivo (tipo porcelana): Las piezas que transportan voltaje están expuestas. Las terminaciones de frente vivo tienen conectores de alto voltaje, supresores o fusibles expuestos al operador después de abrir el gabinete.
Frente muerto (tipo de conector aislado separable): a menudo se los conoce como bujes de frente muerto. Se mejora la seguridad, ya que no hay piezas que transporten corriente expuestas al operador.
Los conectores de frente muerto se dividen en dos categorías principales: ruptura de carga y ruptura total.
Existen dos tipos básicos de configuraciones del sistema de distribución:
Estas configuraciones del sistema pueden usarse solas o en combinación entre sí en diferentes partes del sistema de distribución. Las combinaciones complejas a veces se denominan redes que consisten en derivaciones radiales y de bucle con múltiples fuentes de suministro.
Sistema radial
Un sistema radial emplea un transformador exclusivo para atender a un cliente o grupo de clientes. La desventaja es el hecho de que si hay una falla en la línea de distribución, todos los clientes que están corriente abajo del problema se quedan sin energía. En el siguiente ejemplo, los transformadores se muestran con fusibles, que los aislarían de la línea de distribución en caso de sobrecarga o falla del transformador. Los sistemas radiales se utilizan principalmente en áreas rurales o remotas. Los sistemas de alimentación radial requieren que los transformadores tengan solo un buje de alto voltaje por línea de fase conectada (uno para aplicaciones en estrella con conexión a tierra y dos para aplicaciones estrella - aterrizada), ya que no se está realizando un bucle de corriente a través de ningún transformador.
Sistema de bucle
Dos alimentadores diferentes se alimentan un sistema de bucle, uno conectado a cada extremo del bucle. Teóricamente, el bucle completo de los transformadores podría alimentarse por cualquiera de las fuentes, o los transformadores pueden dividirse entre las dos fuentes, dependiendo de dónde se cree un “punto abierto”. En el caso de un cable subterráneo con falla, este punto abierto se “moverá” (utilizando interruptores de ruptura de carga o codos), de modo que ningún cliente se quede sin energía mientras se repara el cable. En el siguiente ejemplo, los transformadores se muestran con fusibles, que aislarían un transformador con falla, lo que limita las interrupciones a los clientes alimentados por el transformador con falla. Los transformadores de alimentación de bucle tienen dos bujes de alto voltaje por línea de fase que se conecta, por lo que la corriente puede realizar un bucle a través del transformador, corriente abajo hasta el siguiente.
El propósito de esta norma es describir los requisitos para la integridad del gabinete de los equipos montados en plataforma que proporcionan una larga vida útil de campo con mantenimiento mínimo y resistencia a la manipulación.
Seguridad del gabinete
La vista en planta muestra los segmentos ANSI utilizados para identificar la ubicación de los bujes de alto voltaje y de bajo voltaje.
Segmento 1 (frente): Placa de identificación, medidores, válvulas, etc.
Segmento 2: Estándar para bujes montados en pared (segmento 4 opcional)
Segmento 3: Estándar para buje montado en cubierta
Segmento 4: Estándar para bujes montados en pared (segmento 2 opcional)
Tipos de enfriamiento
Hay muchos tipos de protección de transformadores disponibles. Están especificados para proteger el transformador en sí, otros equipos e incluso la seguridad de las personas y las propiedades cercanas. Muchas de estas protecciones pueden ser requeridas por código.
Tipos principales de protección
Existen muchas variaciones de estos elementos que se adaptan a diferentes tipos de disposiciones de transformadores. Estos dispositivos de protección de transformadores, cuando se coordinan con protecciones corriente arriba y corriente abajo, pueden proteger contra una gama completa de eventos y ayudar a minimizar las interrupciones causadas por esos incidentes mediante la localización de la interrupción o el apagado del sistema para una mayor gravedad.
Protección por sobrecorriente
La protección de sobrecorriente contra condiciones de falla y sobrecarga puede lograrse con varios tipos de fusibles y disyuntores. En ocasiones, se utilizarán en combinación y a menudo deben coordinarse como un sistema para obtener una protección y funcionalidad adecuadas.
Sobrevoltaje
La prueba de transformadores de distribución se realiza de acuerdo con las pruebas de rutina establecidas por el comité de normas del IEEE, específicamente descritas en la norma C57.12.00 del IEEE, con los procedimientos y la metodología descritos en la norma C57.12.90 del IEEE.
Existen dos tipos de categorías de prueba:
Prueba de relación, polaridad y relación de fase
Prueba de resistencia
Prueba de factor de potencia de aislamiento
Prueba de impulso de control de calidad (QC)
Prueba de pérdida de núcleo (sin pérdida de carga) y porcentaje de corriente de excitación
Prueba de potencial inducido (OX)
Prueba de pérdida de bobinado (pérdida de carga) e impedancia porcentual
Prueba de impulso del IEEE (onda reducida, dos ondas cortadas, onda completa)
Prueba de temperatura (funcionamiento térmico) (consulte la norma C57.12.90 del IEEE).
Los transformadores PEAK proporcionan una mayor capacidad de sobrecarga o una huella más pequeña y liviana.
Los transformadores PEAK están diseñados exclusivamente para proporcionar capacidad adicional para gestionar mayores cargas y capacidad de sobrecarga temporal.