Desde la Subestación al Hogar: Tipos, Cálculo y Aplicaciones
Los transformadores de potencia son equipos estáticos esenciales en los sistemas eléctricos de potencia, permitiendo el transporte eficiente de energía eléctrica mediante la modificación de los niveles de tensión y corriente. Su correcta selección y cálculo son vitales para asegurar un suministro eléctrico seguro y eficiente, desde las grandes centrales generadoras hasta los puntos de consumo en barrios residenciales.
En el contexto de subestaciones de alta y media tensión, los transformadores de potencia cumplen la función crítica de adecuar los niveles de tensión para el transporte (elevación) o la distribución (reducción) de la energía eléctrica. Edenor, como otras distribuidoras en Argentina, utiliza principalmente transformadores trifásicos de distintas potencias y configuraciones.
Edenor opera una vasta red de distribución, utilizando principalmente transformadores trifásicos de distribución de potencia, generalmente sumergidos en aceite (ONAN). Los modelos varían en potencia y características, pero la tipología constructiva es similar.
Los transformadores de potencia pueden clasificarse por su aislamiento y método de enfriamiento, lo cual es crucial para su disipación de calor y vida útil. Para subestaciones y distribución, predominan los transformadores en aceite.
Aceite Natural, Aire Natural: El calor se disipa por convección natural del aceite dentro del tanque y luego por convección natural del aire sobre la superficie del radiador/tanque. Es el más común para transformadores de distribución de pequeña y mediana potencia (hasta aprox. 10 MVA).
Aceite Natural, Aire Forzado: Similar a ONAN, pero se utilizan ventiladores para forzar el flujo de aire sobre los radiadores, mejorando significativamente la disipación de calor y aumentando la capacidad de carga del transformador (generalmente para potencias mayores a 10 MVA).
Aceite Forzado, Aire Forzado: Se utilizan bombas para forzar la circulación del aceite a través de los radiadores, donde ventiladores fuerzan el aire. Es muy eficiente para transformadores de gran potencia (superiores a 60 MVA) o donde se requiere máxima compactibilidad.
Aceite Forzado Direccionado, Aire Forzado: Similar a OFAF, pero el flujo de aceite es dirigido a las partes más calientes del bobinado, mejorando aún más la eficiencia de enfriamiento. Usado en transformadores de muy alta potencia.
Un transformador de potencia es un equipo robusto compuesto por varias partes clave que trabajan en conjunto para su correcto funcionamiento y seguridad.
Descripción: Fabricado con láminas delgadas de acero al silicio (chapas) apiladas y aisladas entre sí. Puede ser de tipo núcleo (columnas rodeadas por devanados) o acorazado (devanados rodeados por el núcleo).
Función: Proporcionar un camino de baja reluctancia para el flujo magnético generado por el devanado primario, minimizando las pérdidas por corrientes de Foucault e histéresis, y concentrando el flujo para inducir tensión en el devanado secundario.
Descripción: Conductores de cobre o aluminio aislados y enrollados alrededor del núcleo. Se distinguen el devanado primario (conectado a la fuente de tensión) y el devanado secundario (donde se induce la tensión de salida).
Función: El devanado primario crea el flujo magnético variable al ser energizado. El devanado secundario es donde el flujo magnético induce una tensión proporcional al número de espiras, realizando la transformación de tensión.
Descripción: Recipiente metálico robusto que contiene el núcleo y los devanados, sumergidos en aceite dieléctrico.
Función: Contener el aceite aislante y proteger los componentes internos del transformador del ambiente externo.
Descripción: Un fluido aislante (generalmente aceite mineral, aunque también existen sintéticos o vegetales) que llena el tanque.
Función: Proporcionar aislamiento eléctrico entre los devanados y el tanque, y entre las espiras de los devanados. Además, disipa el calor generado en el núcleo y los devanados hacia las paredes del tanque o los radiadores.
Descripción: Superficies externas con aletas o tubos que aumentan el área de contacto con el aire.
Función: Mejorar la disipación de calor del aceite al ambiente, facilitando la convección natural o forzada del aire (ONAN, ONAF, etc.).
Descripción: Un tanque auxiliar ubicado por encima del tanque principal, conectado a este.
Función: Alojar la expansión y contracción del aceite dieléctrico debido a los cambios de temperatura, evitando que el tanque principal esté completamente lleno y reduciendo la exposición del aceite al aire (y humedad).
Descripción: Aisladores cerámicos o de resina que permiten la conexión eléctrica de los devanados a las líneas externas, manteniendo el aislamiento.
Función: Proporcionar una conexión segura y aislada entre los devanados internos del transformador y las líneas de alta y baja tensión de la red eléctrica.
Descripción: Un dispositivo que permite modificar el número de espiras en uno de los devanados (generalmente el primario). Puede ser bajo carga (OLTC - On-Load Tap Changer) o sin carga (DETC - De-Energized Tap Changer).
Función: Ajustar la relación de transformación del transformador para mantener la tensión de salida dentro de los límites deseados, compensando las variaciones de tensión en la red o las caídas de tensión por carga.
Descripción: Un dispositivo de protección sensible a la acumulación de gases y al flujo rápido de aceite.
Función: Detectar fallas internas incipientes o graves (como cortocircuitos entre espiras, fallas de aislamiento) dentro del tanque del transformador, activando alarmas o disparando el interruptor para desconectarlo antes de que ocurran daños mayores. (Ver también sección de Protecciones).
El cálculo de la potencia de un transformador para un barrio residencial es un proceso de ingeniería que requiere considerar la demanda máxima simultánea de las viviendas, no solo la suma de sus potencias instaladas.
Esta metodología proporciona una estimación inicial y se basa en el consumo promedio por vivienda y un factor de simultaneidad.
Asumimos una demanda promedio típica para una vivienda moderna en Argentina. Este valor puede variar según la región y el equipamiento de los hogares.
Demanda Individual por Vivienda:
(Valor típico en Argentina para viviendas con equipamiento estándar, sin gran climatización eléctrica)
Es la suma de las demandas individuales de todas las viviendas si todas consumieran su máximo al mismo tiempo, lo cual es irreal.
Fórmula de Potencia Total Nominal:
Cálculo para 200 viviendas:
El factor de simultaneidad (o diversidad) considera que no todas las cargas operan a su máxima capacidad al mismo tiempo. Disminuye a medida que aumenta el número de usuarios.
| Número de Viviendas | Factor de Simultaneidad (Fs) Típico |
|---|---|
| 1 | 1.0 |
| Hasta 5 | 0.8 - 0.9 |
| 50 - 100 | 0.4 - 0.5 |
| 100 - 300 | 0.3 - 0.4 |
| Más de 300 | 0.25 - 0.35 |
Para 200 viviendas, un rango típico de Fs podría ser **0.35**.
Fórmula de Potencia Activa Demandada:
Cálculo:
Los transformadores se dimensionan por su potencia aparente (kVA o MVA) debido a que su capacidad térmica está limitada por la corriente que circula por sus devanados, independientemente del factor de potencia de la carga. Se debe considerar un factor de potencia (FP o cos($\phi$)) típico para cargas residenciales.
Fórmula de Potencia Aparente del Transformador:
Considerando un Factor de Potencia típico para cargas residenciales de **0.9**:
Se selecciona el transformador de potencia comercial estandarizado más cercano e inmediatamente superior al valor calculado. Para **233.33 kVA**, se optaría por un transformador de **250 kVA** o incluso **315 kVA** si se prevé crecimiento futuro o si el factor de carga es fluctuante.
Un análisis más profundo considera diferentes tipos de carga, pérdidas y proyecciones de crecimiento.
Fórmula de Potencia Aparente con Factores de Demanda y Diversidad:
Este enfoque es más preciso y requiere más datos de entrada.
La forma en que se conectan los devanados del transformador y las protecciones asociadas son fundamentales para su operación segura y eficiente.
La elección de la conexión depende de la aplicación, el desfasaje angular y la capacidad de manejar cargas desequilibradas y armónicos. En Argentina, la conexión DYn11 (Delta en primario, Estrella con neutro en secundario, desfasaje 11) es muy común en transformadores de distribución.
La notación de las conexiones trifásicas sigue un estándar internacional (IEC) que indica la configuración de los devanados de alta y baja tensión, y el desfasaje angular entre ellos:
| Conexión (Notación) | Significado y Características Principales | Aplicación Típica |
|---|---|---|
| Dyn11 |
Características: Permite un neutro estable en el secundario para cargas monofásicas y trifásicas. Es robusta frente a desequilibrios de carga. La conexión Delta en el primario ayuda a suprimir armónicos de tercer orden. |
Transformadores de distribución (MT/BT), muy común en Argentina para alimentar cargas residenciales (220V fase-neutro y 380V fase-fase). |
| Yyn0 |
Características: Permite la conexión a tierra del neutro en ambos lados. Puede ser susceptible a problemas con armónicos de tercer orden si el neutro no está sólidamente conectado a tierra. No introduce desfasaje. |
Transformadores de potencia en subestaciones, especialmente donde se requiere un neutro para la conexión a tierra o para cargas desequilibradas en ambos lados. También en sistemas de transmisión. |
| Yy0 |
Características: Similar a Yyn0, pero sin el neutro accesible en el secundario para la carga. Esto limita su uso para cargas que no requieren neutro o en sistemas donde el neutro ya está provisto por otra fuente. |
Aplicaciones más limitadas, a menudo en sistemas de transmisión o en aplicaciones industriales donde no se requiere conexión a neutro en la carga. |
Los transformadores son activos críticos que requieren diversas protecciones para salvaguardar su integridad y la continuidad del suministro.
Protegen contra cortocircuitos externos o sobrecargas sostenidas que superan la capacidad nominal del transformador. Comunes en el lado de alta y baja tensión.
Detecta fallas internas del transformador (arcos, sobrecalentamiento local, aislamiento defectuoso) que generan gases en el aceite aislante. Ubicado entre el tanque principal y el conservador. Actúa por acumulación de gases o por flujo rápido de aceite.
Compara las corrientes de entrada y salida del transformador. Si hay una diferencia significativa (que no se deba a la relación de transformación o a la corriente de magnetización), indica una falla interna (cortocircuito entre espiras, falla a tierra dentro del transformador). Altamente sensible y rápida.
Termómetros de bobinado y de aceite que activan alarmas o disparan el interruptor cuando la temperatura excede límites seguros, previniendo el deterioro del aislamiento.
Detecta un aumento brusco de presión dentro del tanque del transformador, indicativo de una falla interna grave (ej., arco interno) que genera una gran cantidad de gases y vapor en poco tiempo. Actúa rápidamente para desconectar el transformador.
Protegen el transformador contra sobretensiones transitorias causadas por rayos o maniobras en la red, derivando el exceso de energía a tierra.
Los transformadores de potencia son pilares insustituibles en la infraestructura eléctrica. Su diseño, selección y protección son resultado de principios de ingeniería eléctrica fundamentales, asegurando que la energía generada llegue de manera confiable y segura a cada hogar e industria. El cálculo preciso de su potencia es un arte y una ciencia que combina la estimación de la demanda, la aplicación de factores de simultaneidad y una visión a futuro para garantizar la capacidad de la red.
Dominar estos conceptos es crucial para cualquier ingeniero eléctrico que aspire a diseñar, operar o mantener sistemas de potencia robustos y eficientes en el contexto de las redes de distribución modernas.