ANÁLISIS DE LA EFICIENCIA, DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN TRANSFORMADOR DE 1600 kva

Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 1 ANÁLISIS DE LA EFICIENCIA, DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN TRANSFORMADOR DE 1600 kva Efficiency analysis, design and manufacture of a transformer of 1600 kva RESUMEN Los sistemas eléctricos de potencia son los encargados de transportar, transmitir y distribuir la energía eléctrica producida en las plantas de generación. Para realizar tal tarea de transporte de la energía se utilizan líneas conductoras y transformadores. Estos últimos son los encargados de elevar o disminuir la tensión para disminuir las pérdidas en el transporte. La importancia y el constante trabajo de estas máquinas eléctricas hace necesario un enfoque investigativo con respecto a su diseño, construcción y operación. El diseño de máquinas tanto eléctricas como mecánicas, no se encuentra delimitado por un patrón exacto. Un diseño puede variar tanto como diseños puedan haber. La optimización de recursos y la búsqueda de los mejores procedimientos, e incluso las mejores dimensiones o parámetros, depende de cada diseñador. Este diseño encontró unas variables importantes que toman partido a la hora de buscar eficiencia. Palabras clave: inducción electromagnética, ventana del núcleo, devanado, núcleo magnético. NIXON ÁLVAREZ Ingeniero de diseño construcciones y montajes Electroduitama Ltda. Tesista de Ingeniería Electromecánica. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia UPTC. nixonandresalvarez@gmail.com FERNANDO CONTRERAS Ingeniero electricista. Docente de planta Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Fernando.contreras@uptc.edu.co ABSTRACT The electrical power systems have the duty to transport, transmit and distribute the electrical energy produced in the electric plants, to perform that task of transport the electricity transport lines and transformers are used, the last are responsible for raising or lowering the voltage to reduce losses in the transport. The importance and the ongoing work of these electric machines require an investigative approach to design, construction and operation. The design of electrical machines is no delimited and bordered with an exact pattern, a design can change as much as designs there are, the optimization of resource and the search by the best design procedure and included the best dimensions depends on each designer, this project found out any important variables which take importance when we are looking for efficiency. Keywords: core s window, electromagnetic induction, magnetic core, Wending. 1. INTRODUCCIÓN Los trasformadores son máquinas eléctricas estáticas, que durante muchas décadas se han diseñado sobredimensionadas en algunos aspectos [1]. A la hora de realizar una optimización de un transformador, se puede buscar la modificación de su sistema eléctrico, magnético o de aislamiento. Para aumentar la resistencia de aislamientos frente a eventos como descargas eléctricas o variaciones en la tensión [2], esto se logra aumentando su sistema sólido de aislamiento. La implementación de aislamientos robustos entre los devanados y en núcleo, entre devanados, entre capas, e incluso entre la cuba y los devanados, provoca Fecha de recepción: 22 de septiembre de 2014 Fecha de aceptación: 1 de octubre de 2014 una disminución en la transferencia de calor, ya que capas gruesas de aislante le quitan espacio al aceite y evitan la refrigeración de los devanados. A la hora de reducir las pérdidas en el núcleo, se reduce la sección del mismo, pero para lograr esto se suele disminuir la tensión por espiral, aumentando la cantidad de cobre a utilizar, debido a esto las pérdidas en el cobre se elevan. La problemática frente al diseño de transformadores es bastante amplia, no es sencillo este diseño ya que está delimitado por varios factores como requerimientos térmicos que especifican las temperaturas nominales a las cuales debe operar, requerimientos dieléctricos en sus aislamientos conocidos como BIL (basic insulation level) y definidos por las normas colombianas [3], mecánicos

2 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 con respecto a su estabilidad constructiva y necesidades estructurales, todas las anteriores están íntimamente relacionadas, haciendo que a la hora de que un parámetro se modifique los otros se verán directamente afectados. Durante muchos años el diseño de transformadores se ha venido realizando por medio de análisis matemáticos, parámetros extraídos de guías gráficas, tablas y asumiendo diversos factores. Métodos que hoy en día se utilizan con éxito pero no optimizan en costos. En la bibliografía se encuentran diferentes libros que hablan del diseño de transformadores, algunos recientes y otros de varios años atrás [4], todos estos difieren del método de cálculo que se requiere ya sea porque los avances tecnológicos respecto a las láminas del núcleo [5], aislamientos o aceites así lo requieren. Los libros que hablan del diseño de transformadores difieren en cuanto a varias cosas y asumen otras para disminuir cálculos, algunas medidas incluso las asumen sin siquiera dar una explicación, de igual forma lo hacen con diversos parámetros. Para la verificación de los resultados calculados se utilizaron herramientas informáticas como solid edge, en la que se verifica dimensionalmente como longitud, peso, volumen y resistencia mecánica del diseño. Para la verificación de esfuerzos eléctricos, transferencia de calor y pérdidas se utilizó Comsol Multiphysics. Para la obtención de los resultados se utilizaron tablas de cálculos dinámicas en Office Excel. La comprobación final se llevó a cabo físicamente con la prueba de los diferentes transformadores y el diseñado en este caso. 3. ANÁLISIS DE UN TRANSFORMADOR DE 1500KVA Y LA POSTERIOR VALIDACIÓN DE LOS DATOS Durante el mes de febrero de 2014 se le realizaron pruebas de energización, de rutina y posteriormente se llevó a cabo el desensamble de un transformador de 1500kVA con configuración Dyn5, con tensiones de 34,5/13,8kV, a 60Hz y sumergido en aceite [6]. Los costos de fabricación de un transformador se ven directamente relacionados con su eficiencia. Este es un problema constructivo, ya que si se logra un transformador de bajas dimensiones de igual forma su precio en materiales se reduce y sus pérdidas también. Este artículo es el resultado del proyecto de grado definido como diseño y construcción de un transformador sumergido en aceite de 1600kVA 13,8/34,5kV Dyn5, el cual se desarrolló en la empresa Construcciones y Montajes Electroduitama, empresa dedicada a la reparación y la fabricación de transformadores, subestaciones y redes eléctricas. Buscando como objetivo el diseño de transformadores más eficiente y económicos se inició el proyecto de grado ya mencionado. 2. MATERIALES Y MÉTODOS Para la realización de la efectiva investigación se tuvo que tener acceso a transformadores comerciales de los cuales se reparan y fabrican en la empresa. Estos son una referencia para conocer sus medidas, configuraciones, aislamiento, refrigeración y pérdidas a las cuales trabajan y ver la relación de cada una de sus características propias, ya que cuando las pérdidas de un transformador son altas de su sistema de refrigeración debe estar diseñado acorde, sus dimensiones y materiales de igual forma son acordes. La investigación científica y técnica referente al diseño, construcción y funcionamiento de los transformadores fue plataforma de desarrollo en este proyecto. Tomando como guía bibliografía, expertos en el tema y técnicos expertos en la construcción de los transformadores, todo esto para comprobar teorías y estimaciones que a lo largo del proyecto surgieron. Figure 1 transformador de 1500kVA desensamblado. A la par se realizaron los cálculos pertinentes que nos llevaron a su diseño, dimensiones y parámetros elegidos, con el fin de validar y analizar los cálculos utilizados, este mismo procedimiento se realizó con otros 8 transformadores de diferentes potencias, se tomó como referencia principal el transformador de 1500kVA ya que es el más cercano en similitud al que se diseñó de 1600kVA. Durante el proceso del análisis de los cálculos se encontraron diversos parámetros que se valoraron y definieron como este artículo describe. 3.1. Cálculo del núcleo magnético 3.1.1 Determinación de la tensión por espira Para potencias entre 100 y 150 MVA, los arrollamientos y los núcleos llegan a ser demasiado semejantes.

Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 3 Para potencias mayores de 100 y 150 MVA, en este caso por los tamaños y por la facilidad de trasporte se limitan dimensiones en sus núcleos y en sus arrollamientos, llegando a ser semejantes a los de 100MVA. Para potencias relativamente bajas se utiliza muy comúnmente en varias bibliografías la siguiente ecuación con éxito, ya que para este caso en particular nos brindó la mayor aproximación posible en los diseños realizados: E k S t (1) Et: Tensión por espira Sn: Potencia aparente del transformador (KVA) k: Constante que tendremos que elegir Valores de k: Cobre entre 0,37 y 0,45; Aluminio valores entre 0,32 y 0,35 El facto k que este transformado maneja y otros a los cuales se les ha realizado el mismo estudio, se sale de los valores recomendados por la literatura, encontrándose un factor que oscila en k=0,53. ANÁLISIS: esto indica que la tensión por espira que se utiliza es mayor y menor el número de espiras con relación a lo que sugieren los cálculos. Aunque las tensiones recomendadas por diferentes autores están ligadas a un k entre 0,37 y 0,45 en este caso particular y en otros transformadores no lo toman así. La variación en los valores oscila en tensiones por encima de las recomendadas, dejando como incógnita centro de nuestra investigación, las razones por las cuales se realizan estas modificaciones. A mayor tensión por espira mayor tensión eléctrica entre las misma y entre capas, llevando a la necesidad de mejores y utilizar aislamientos solidos más robustos. 3.1.2 Inducción magnética n Un núcleo con material CRGO (chapa magnética laminada en frío de grano orientado) entra en saturación a partir de una inducción magnética de 1,9 T, si se presenta una alza en la tensión la corriente se desbocaría (efecto destructivo) [5]. La siguiente ecuación se utiliza con el fin de determinar esta máxima inducción que depende de que es el porcentaje de variación de la tensión en la red: En los sistemas eléctricos de potencia sin variaciones significativas se reconoce un (α%) del 5% que da como resultado un valor de inducción máxima de 1,81 T. Durante la comparación con nuestro transformador se encontró que su núcleo se encuentra diseñado para una variación en la red del 18%. ANÁLISIS: varios de los transformadores analizados utilizan núcleos fuertes y amplios asumiendo variaciones de la tensión cercanas al 15%. Asumir porcentajes del 15% para la variación de la tensión es bueno con respecto a la fabricación, ya que estará diseñado para soportar eventos de corta duración en los que se experimente una variación de tensión, como un corto circuito o una descarga atmosférica, debido a que poseen un núcleo robusto. 3.1.3 Sección del núcleo Al determinar el núcleo nos encontramos con unas dimensiones aproximadas a las reales teniendo en cuenta las anteriores estimaciones que diferentes industrias consideran. (2) 3.2 Aproximación del cálculo y el diseño al real Se vio hasta el momento que los factores que se involucran en el diseño de un transformador no son camisa de fuerza a la hora de dimensionar dichas máquinas, dejando un margen demasiado amplio a la hora de diseñar. Figura 2: curva de histéresis del núcleo. Se llegó con una alta exactitud al modelo de 1500kVA como se muestran algunos de los muchos factores y dimensiones de un transformador en la ilustración 3 y en la tabla 1. La exactitud que se alcanzó nos permitió diseñar, construir y probar virtualmente diferentes modificaciones. La determinación o estimación de la inducción máxima determina el área de la sección e indiscutiblemente afecta el costo de la máquina y su rendimiento. La inducción máxima (Bmp) estará determinada por las fluctuaciones en la red en la cual vaya a operar el transformador.

4 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 3D. La verificación de los resultados se realizó posteriormente con la ayuda de Comsol Multiphysics. 4.1 Tensión por espira Figura 3 diseño del transformador desensamblado de 1500kVA, 13,8/34,5kV configuración Dyn5 a 60Hz. El diseño que se muestra en la figura 3 se realizó teniendo en cuenta simulaciones de esfuerzos estáticos y cálculos transferencia de calor correspondiente al dimensionamiento de los ductos de refrigeración entre los devanados y los espaciamientos en los mismos [8]. Variable Real Calculado Sección del núcleo 261mm 263mm Espiras en baja 388 380 tensión Espitas en alta 1680 1649 tensión Altura de la 495mm 495mm ventana Pérdidas en el 12600W 12507,12W cobre Pérdidas en el 1790W 1825W hierro Eficiencia 98% 98,61% Tabla 1: comparación de algunas de las variables obtenidas en los cálculos contra las encontradas en el transformador real. Se vio gráficamente que a medida que la tensión por espira aumenta los diferentes factores entran en juego, a mayores tensiones por espira la impedancia del circuito aumenta al igual que la resistencia, mejorando así su resistencia a cortocircuitos, reduciendo las corrientes durante estos eventos. Las pérdidas por efecto joule disminuían a medida que se aumentaba la tensión por espira ya que es necesario menos cantidad de espiras. El cobre es el material más costoso de un transformador, así que de igual forma los costos totales disminuyen de la misma manera que las pérdidas. Al aumentar la tensión por espira se vio que aumenta la inducción electromagnética del transformador haciendo que se necesite emplear una sección de núcleo mayor, un núcleo más robusto provoca unas perdidas mayores y los costos por hierro aumentan. Luego del diseño y cálculos desarrollados en otros trasformadores y con una serie de variables que la bibliografía no estandariza se inició la búsqueda del mejor y más apropiado diseño de transformador en términos de eficiencia, calidad y economía. 4 DISEÑO DE UN TRANSFORMADOR DE 1600KVA CON TENSIONES DE 13,8/34,5KV, DYN5 SUMERGIDO EN ACEITE Este diseño se desarrolló basado en una tabla dinámica y gráfica de cálculo en Excel, en la cual se determinaron 36 variables de entrada como; potencia, tensión por espira, altura de la ventana, esbeltez del núcleo, esbeltez de los arrollamientos, tipo de láminas, niveles de aislamiento entre otras, para así calcular cualquier transformador de distribución en columnas. El propósito fundamental de la tabla de cálculo es ver las variaciones de las características básicas de salida como pérdidas en el núcleo, pérdidas en los devanados, capacidad de disipación de calor de más. Figura 5 variación de las pérdidas en relación a la tensión por espira. Al haber mayor tensión por espira se presentó que la diferencia de potencial entre capas aumentaba proporcionalmente requiriendo niveles de aislamientos mayores y requiriendo el uso de aislamientos más robustos [8], para ello se realizaron una serie de pruebas de resistencia dieléctrica para determinar el calibre del papel aislante presspan diamantado o DDP como se ve en la figura 6 [9]. Pudiendo analizar distintas variables críticas como se describen a continuación, a su vez mediante un hipervínculo con solid Edge nos entregará el diseño en

Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 5 Figura 6 Prueba de rigidez dielectrica realizada a los materiales aislantes a usar. 4.2 Altura de la ventana La altura de la ventana es una de las variables de las cuales no se encuentra información más que experiencias y apreciaciones empíricas, mediante modelos matemáticos se buscó la influencia de la altura de la ventana en el funcionamiento, en las pérdidas y en el costo del transformador. En cuanto la ventana del núcleo o bien llamada altura de las columnas se reduce la geometría de los devanados encuentran el menor gradiente haciéndose lo más compactos posible y ocupando una menor área superficial para el mismo volumen de cobre, esta característica hace que muestren mayor rigidez y resistencia a la hora de presentarse un corto circuito. La cantidad de cobre utilizado en una ventana corta es bastante así que las pérdidas en el cobre y el costo aumentan. De igual forma a medida que la ventana se iba aumentando las pérdidas en el cobre y el costo disminuían, ya que a mayor altura se necesitaba menor cantidad de capas de cobre, esta característica hace que el perímetro de cada espira sea menor y se necesite emplear menos cobre. La resistencia a una falla de corto circuito disminuye gradualmente con respecto a la altura de la ventana ya que más espiras en la última capa son susceptibles a descarrilarse. A mayores alturas de la ventana la diferencia de potencial entre capas aumenta, y se incrementa el riesgo de descargas parciales entre capas, es por ello que se requieren mejores aislamientos aumentando los costos por aislamientos. Las pérdidas en el hierro y en el cobre también se ven afectadas con la graduación de la ventana. Este proyecto centra su atención en optimizar la fabricación de transformadores, es por ello que hace bastante hincapié en las dimensiones, ya que es ahí donde la variación de la eficiencia se ve más pronunciada. Figura 7 variación de las pérdidas totales con respecto a la variación de la altura de la ventana. Basándonos en estas variaciones y limitados por las normas colombianas, que especifican las pérdidas máximas en los transformadores, se logró definir un punto de equilibrio en el cual las pérdidas totales son lo menor posible. Las pérdidas en el hierro no pueden superar los 2880 W para un transformador de 1600kVA, teniendo en cuenta esta limitante se llevó la ventana tan alto como fue posible sin superar estas pérdidas en el hierro, y de esta forma, se lograron disminuir las pérdidas en el cobre que son las más significativas, el diseño se implementó y los resultados se muestran en la siguiente tabla. Transformado Transform Límite de r de 1500kVA ador de perdidas 1600KVA según la NTC819 Pérdidas en el Cobre 12600W 9380 17400 Pérdidas en el Hierro 1790W 2720W 2880 Pérdidas totales 14390W 12100W 20280 Rendimiento 99.02% 99.5% - Cantidad de alambre de 580kg 566kg - Cobre Peso del núcleo 1419kg 1507kg - Costo del Cobre en pesos colombianos $12 228.000 $11 942.60 0 Costo del Hierro en $12 487.200 13 261.600 pesos colombianos Costo Total 24 715.200 25 204.200 Tabla 2. Comparación de resultados entre el transformador de 1500kVA y el diseñado de 1600kVA. CUBA La cuba es el recipiente metálico en el cual se encapsula herméticamente toda la parte activa del transformador. Para este transformador, luego de una larga investigación, se encontraron dos tipos de cubas opcionales a utilizar. La primera fue una cuba de paredes planas y radiadores de paletas desprendibles y la segunda fue, una cuba de paredes con paneles corrugados como se muestra en la Figura 8, este tipo de cubas manejan un coeficiente de transferencia de calor mayor que la de los radiadores ya que el aceite incide en las paletas

6 Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 libremente a través de su altura, requieren menor cantidad de material, dando así como resultado una cuba más liviana y, además, con mayor momento inercial que evita una posible inflamación del tanque. Las cubas de paneles corrugados no son muy utilizadas en Latinoamérica ya sea por cultura o por falta de oferta de las mismas [10], por esta razón se tuvo que diseñar una cuba con radiadores. La cuba con radiadores es muy efectiva para altas potencias cuando se necesita instalar ventiladores o bombas, para el efecto de este proyecto se diseñó y fabricó una cuba de radiadores como se ve en la figura 8. Figura 8 cubas con paredes de paneles corrugados. efectiva para la transferencia de calor, estos datos los constata las tablas de cálculo del proyecto. En este momento nos encontramos en la etapa de pruebas de fabricación del transformador que tardará cerca de dos semanas y a finales del mes de julio se espera ya haberle realizado las pruebas de certificación para iniciar su fabricación en serie y su posterior comercialización [11]. 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La altura de la ventana, que era un variable sin definir, se puede relacionar directamente con las pérdidas totales y las máximas permitidas en el hierro, llevándola a un valor exacto y no a un sinfín de posibilidades, la altura de la ventana también se ve relacionada con un mayor rendimiento y una significativa reducción de costos. Para realizar un diseño tomando en cuenta esta investigación, se recomienda tener en cuenta que el sistema de aislamiento es el que se ve seriamente afectado con estas modificaciones, y se requieren niveles de aislamiento mayores, para ello se deberá hacer un análisis riguroso del diseño en cuanto a la rigidez eléctrica para poder dimensionar los aislamientos sin ver afectada la refrigeración. 7. BIBLIOGRAFÍA Figura 9 cuba de radiadores Para la obtención de las dimensiones y las especificaciones se utilizaron diversos métodos matemáticos de transferencia de calor, y se corroboraron con simulaciones térmicas de elementos finitos. 5 DISEÑO RESULTANTE Figura 10 Diseño final del transformador de 1600kVA. El sistema de refrigeración se hace más eficiente mientras que la altura aumenta ya que se obtiene mayor área Referencias de libros: [1] Proyecto fin de carrera Diseño de un transformador de 5MVA, 33/11kV Dyn11. Universidad Carlos III de Madrid-escuela politécnica superior-departamento de ingeniería eléctrica. Leganés 3 de Diciembre de 2009. [2] CULCyT. Diseño, construcción y pruebas de un transformador de poca capacidad M.C. Onofre A. Morfín Garduño1, M.I. David García Chaparro2, M.I. Gabriel Bravo Martínez3. Agosto del 2005. [4] STEVENSON, William D. Análisis de sistemas de potencia. Mexico Mcgraw Hill 1996. [8] Corrales Martin, j. Teoría, calculo y construcción de transformadores Editorial Labor, SA 1957 Barcelona Madrid. Empresas: [5] Empresa _ Frana International S.A.S tocancipá- Cundinamarca. Disponible en web: http://www.franainternational.com/. [6] empresa colombiana Grupo económico magnetrón. Políticas de la empresa, disponible en web: http://www.magnetron.com.co/magnetron/. [10] Empresa constructora de transformadores Tracol campo de operación, productos y coverture disponible en web: http://www.tracol.com.co/web/. Normas: [3] Norma Técnica Colombiana NTC 836 Electrotecnia. Niveles de aislamiento y ensayo para transformadores sumergidos en líquido refrigerante 1998-04-22. Tercera actualización 2011-03-05. Editada por ICONTEC.

Second International Conference on Advanced Mechatronics, Design, and Manufacturing Technology - AMDM 2014 7 [7] Norma Técnica Colombiana NTC 837 ensayo del dieléctrico 1997-09-17. Tercera actualización 2011-03-05. Editada por el instituto colombiano de normas técnicas (ICONTEC) apartado 14237 Santafé de Bogotá, DC. Primera actualización. [9] ANSI. IEEE C57.12.00 standard for general requirements for liquid-immersed distribution, power, and regulating transformers New York. NY 10016-5997, USA. 10 de September de 2010. [11] Reglamento técnico de instalaciones eléctricas RETIE. Resolución número 180398(7 de abril de 2004).