Transformador tipo pedestal de distribución subterránea

Debido al alto crecimiento, tanto urbano, como comercial y turístico, y a la constante preocupación por un suministro confiable y seguro de la energía eléctrica, los sistemas de distribución subterránea han alcanzado gran importancia en la actualidad.

Por Víctor Manuel Estrada.

Para el ingeniero que proyecta sistemas de distribución de energía eléctrica, las desventajas que presentan los sistemas de tipo aéreo respecto del sistema de distribución subterránea son conocidas. Éstas pueden dividirse en las siguientes:

1. Áreas congestionadas por cables, postes, transformadores, etcétera, que afectan considerablemente la apariencia, haciéndola desagradable a la vista
2. Según estudios realizados, se ha visto que cerca de 70 por ciento de las fallas en estos sistemas se deben a descargas atmosféricas, daños por lluvias, vientos, caída de árboles, accidentes, etcétera
3. Peligros potenciales de electrocución a peatones

Por lo tanto, siempre ha existido la preocupación por utilizar la distribución subterránea, las cuales nos ofrecen estas siguientes ventajas:

1. Mejor apariencia
2. Servicio más confiable y seguro (el índice de fallas respecto del sistema aéreo es de un sexto en operación)
3. Mayor vida útil

Entre las desventajas se pueden mencionar:

• Mayor costo inicial respecto del sistema aéreo
• Más tiempo y costo por reparación (aunque menos frecuente)
• Se crean nuevos problemas, como la corrosión y el enfriamiento de los transformadores, etcétera

La tecnología que se ha desarrollado en este tipo de transformadores está basada en lo siguiente:

• Utilización del aluminio grado eléctrico como conductor en forma de hoja en el lado de baja tensión
• Desarrollo de materiales aislantes resistentes a la corrosión, como etileno, propileno, polietileno, etcétera
• Desarrollo de elementos de conexión del tipo de frente muerto
• Eliminación de encintados para utilizar terminales premoldeadas
• Desarrollo de elementos de seccionalización y protección

De tal forma que los transformadores para distribución subterránea tienen las siguientes características de diseño y construcción:

1.  Nuevo concepto de transformador combinado con accesorios de conexión, seccionalización y protección
2.  Se considera importante que sea posible conectarlos al sistema con un mínimo de maniobras, y que dichas maniobras sean lo más sencillas posible
3.  Es importante conseguir un alto grado de confiabilidad y seguridad en la operación

Breve historia
A principios de la década de 1960, fue desarrollado un nuevo concepto de transformador, conocido como transformador de distribución tipo Pad Mounted, al cual se le denominó tipo pedestal en México.

En su forma preliminar, este transformador consistió básicamente de una unidad convencional equipada con un gabinete para protección externa, debido a que era de frente vivo, además de que era montado sobre una base de concreto; de ahí se deriva la denominación que se le otorga.

Este modelo primitivo fue sustituido por un transformador altamente especializado, que incorpora actualmente todo arreglo concebible de boquillas, accesorios, interruptores, fusibles, evolucionando del modelo inicial a una unidad de transformación eléctrica, autoprotegida y de frente muerto.

Clasificación
Los transformadores tipo pedestal de distribución subterránea se clasifican:

1. Según el tipo de aislamiento de sus accesorios, en:

1. De frente muerto. Son aquellos que no tienen partes vivas expuestas en el compartimiento de media tensión, estando el transformador energizado
2. De frente vivo. Son aquellos que tienen partes vivas expuestas dentro del gabinete

2. En cuanto al sistema de alimentación:

1. Tipo radial
2. Tipo anillo, que permite alimentar a cada transformador desde dos puntos diferentes

Normas aplicables
Las principales normas mexicanas y especificaciones aplicables al diseño y construcción de este tipo de transformadores son las siguientes:

NMX-J-285-ANCE Transformadores tipo pedestal monofásico y trifásico para distribución subterránea
CFE K0000-04 Transformadores monofásicos tipo pedestal para distribución residencial subterránea (DRS), de 25 a 100 kVA, hasta clase 34.5 kV
CFE K0000-07 Transformadores trifásicos tipo pedestal para distribución comercial subterránea (DCS), de 300 y 500 kVA, hasta clase 34.5 kV
CFE K0000-08 Transformadores trifásicos tipo pedestal para distribución residencial subterránea (DRS), de 75 a 225 kVA, hasta clase 34.5 kV

Tipos de conexiones
1. Para transformadores monofásicos:

1. La conexión preferente en media tensión es con la terminal H1 conectada a la línea y la terminal H2 conectada directamente a tierra; a esta conexión se le denomina, comúnmente, YT
2. La conexión preferente en baja tensión es la de tres hilos; su nomenclatura es 240/120 V

2. Para transformadores trifásicos:

1. Se tiene disponibilidad de conexión delta en el primario y estrella aterrizada en el secundario
2. La conexión preferente, tanto en media como en baja tensión, es la de estrella-estrella aterrizada, la cual nos ayuda a evitar las posibles sobretensiones por ferrorresonancia

Características constructivas
Es el conjunto formado por un transformador integrado a un gabinete cerrado, el cual  incluye accesorios de protección y seccionalización además de terminales para conectarse en sistemas de distribución subterránea. Este conjunto está destinado para ser montado en un pedestal y operar a la intemperie.

La característica de estos transformadores es que todos sus accesorios se colocan en la pared frontal del tanque, generalmente del lado izquierdo los componentes de media tensión y del lado derecho los componentes de baja, así como los indicadores de nivel, termómetro y placa de datos, entre otros. En los transformadores trifásicos se coloca una barrera aislante que divide la sección de media tensión con la de baja tensión.

Sobre el lado donde se colocan los accesorios, se monta un gabinete que además de dar protección, permite dar una buena apariencia al transformador.

El diseño del gabinete está previsto de tal forma que primero se tiene acceso a la sección de baja tensión, en donde se tiene el seguro que impide el acceso directo a la sección de media tensión.

En la parte inferior del gabinete se dispone de un área de dimensiones adecuadas para permitir la entrada y salida de los cables de alimentación.

En los transformadores trifásicos, además, se instala una tapa sobre el conjunto tanque-gabinete para respaldar los conceptos de protección y apariencia.

El acabado de estos transformadores es resistente a la intemperie y generalmente se recubren de pintura de color verde para que armonice en el lugar donde se instale.

Componentes básicos
Los componentes básicos de los transformadores tipo pedestal se enumeran enseguida:

1. Núcleo
2. Bobinas
3. Tanque
4. Elementos de conexión
5. Elementos de seccionalizacion
6. Elementos de protección

Núcleo
El material de los núcleos de transformadores tipo pedestal es acero al silicio de alta permeabilidad y bajas pérdidas, grado M-3, de 0.009” de espesor, con recubrimiento a base de compuestos inorgánicos. El núcleo que se utiliza en estos transformadores es de tipo enrollado, sus características principales son:

1. Solamente se tiene un entrehierro
2. Bajos valores de pérdidas y corriente de excitación
3. Bajo nivel de ruido
4. Proporciona mayor rigidez mecánica a las bobinas
5. En transformadores trifásicos, se utiliza el núcleo de 5 piernas, el cual ayuda a evitar problemas de ferrorresonancia

Bobinas
Las bobinas de B.T. son construidas con aluminio grado eléctrico, aleación 1350, con 62 % de IACS* mínimo, de sección adecuada para conservar un diferencial de temperatura bajo y lograr la eficiencia que especifican las normas.

El devanado es en forma de hoja o foil, con objeto de reducir los esfuerzos axiales a que son sujetas las bobinas en el caso de un cortocircuito.

Las bobinas de M.T. son construidas con alambre magneto de cobre electrolítico, con 100 % de IACS*, esmaltado con resina a base de poliéster amida-imida, con una clase térmica de 200 °C, compatible con el aceite del transformador.

Cada capa de los devanados de media y baja tensión está aislada con papel Kraft Insuldur, de clase térmica 120 °C, el cual estabiliza el aislamiento contra la oxidación y hace posible alcanzar temperaturas más altas. El papel Kraft Insuldur cuenta con elementos a base de resina epóxica en forma de diamante, que se funden y curan durante el proceso de horneado dado a las bobinas. En el proceso, el papel compacta los conductores entre capas y de esta manera crea una masa sólida para proporcionar a la bobina rigidez mecánica y soportar los esfuerzos electrodinámicos causados por un eventual cortocircuito. Una particularidad más de las bobinas es su capacidad de absorción de sobretensiones por transitorios y su baja impedancia, que permite obtener una buena regulación en los sistemas de distribución subterránea.

Tanque
Éste contiene el ensamble núcleo-bobinas, accesorios de protección y seccionalización, y aceite del transformador. Se debe fabricar con placas de acero de alta calidad para lograr la resistencia mecánica que requiere el equipo y soportar los esfuerzos a que se someten los transformadores durante su manejo e instalación, así como a los esfuerzos eventuales de operación.

Elementos de conexión
Boquillas de Media Tensión

• Boquillas tipo pozo
• Boquillas tipo inserto
• Boquillas tipo perno

Las boquillas tipo pozo o similares son adecuadas para ensamblarse a un adaptador y a un codo conector, ensamblado directamente al cable de alimentación, obteniéndose así una estructura de frente muerto altamente confiable y segura, que facilita los trabajos de inspección y mantenimiento. Estos ensambles pueden encontrarse en dos tipos: para desconexión y conexión con carga, y para conexión y desconexión sin carga.

Con el primer tipo, se puede conectar o desconectar el transformador al sistema en condiciones de carga, como en el caso de los transformadores monofásicos, en donde la seccionalización se efectúa con un inserto de operación con carga utilizando boquillas tipo pozo. En el segundo caso, se requiere de un seccionador para facilitar dichos trabajos.

Boquillas de baja tensión
En los transformadores tipo pedestal (monofásico o trifásico), tipo sumergible trifásicos, se prefieren boquillas tipo espada con cuatro barrenos, según NEMA, para facilitar la alimentación a varios circuitos secundarios. Las características de las terminales de baja tensión están indicadas en la norma nacional NMX-J-285 para transformadores tipo pedestal monofásico y trifásico.

Elementos de seccionalización
Existen dos tipos de seccionadores: el radial y el seccionador en anillo. Estos dispositivos facilitan las operaciones de inspección y mantenimiento, pues permiten aislar el transformador del sistema fácilmente, son de operación con carga sumergidos en el líquido aislante y se instalan en el interior del tanque del transformador. Su operación se realiza mediante una pértiga desde el exterior del transformador. Los seccionadores radiales son de dos posiciones y conectan o desconectan al transformador sin romper la continuidad del servicio de los demás transformadores de la red. Los seccionadores en anillo tienen la característica de facilitar la alimentación de los transformadores en los sistemas de distribución en anillo, ya que disponen de cuatro posiciones de operación:

• Conexión por el lado izquierdo o línea A del transformador
• Conexión por el lado derecho o línea B del transformador
• Conexión por ambos lados o líneas A y B del transformador
• Desconectado del sistema

Elementos de protección
Las protecciones para los transformadores tipo pedestal son de diseño especial y son de dos tipos, según la función que desempeñan:

• Para proteger al transformador del lado de la carga contra condiciones de sobrecarga o cortocircuito
• Para proteger al sistema contra fallas internas del transformador

En el primer caso, se dispone de dos tipos de protección:
1. Interruptor de baja tensión. Éste puede ser de tipo térmico o termomagnético, dependiendo de la capacidad del transformador; cuenta con manija de operación desde el exterior y luz indicadora de operación que señala si el transformador está trabajando en condiciones anormales. Este interruptor tiene características de operación que son sensibles a las variaciones térmicas del transformador, creando una imagen térmica del valor de temperatura media de la bobina en cualquier momento, lo que le permite operar bajo una condición dada.

El elemento del tipo térmico es sensible a las corrientes de carga y a la temperatura del aceite; el elemento del tipo magnético detecta las corrientes de corto circuito en el secundario. También cuenta con un dispositivo de emergencia, el cual permite al transformador soportar cargas pico mayores en situaciones de emergencia.

2. Fusible de expulsión. Se le denomina así, pues durante la operación de interrupción, expulsa gases para extinguir el arco y debe de interrumpir la falla en un intervalo igual o menor que la duración del primer ciclo, aislando el sistema. Este fusible es de baja capacidad interruptora sumergido en aceite y puede ser del tipo bayoneta (removible desde el exterior), o de operación interior; instalado en el lado de media tensión, sus interrupciones nominales son de 3 mil 500 A simétricos a 8.3 kV; 2 mil 500 A simétricos a 15.5 kV, y 1 mil A simétricos a 23 kV. En cuanto a su función se clasifican en:

• Fusible de expulsión sensible a la corriente. Es sensible solamente a la corriente, como sobrecorrientes y fallas en el secundario
• Fusible de expulsión sensible a sobrecargas y a la temperatura del aceite. Es sensible a fallas secundarias, corrientes excesivas de carga, corrientes de falla del transformador y a la temperatura del aceite

Para el segundo caso disponemos del siguiente accesorio de protección:

1. Fusible limitador de corriente. Es de tipo arena de plata de alta capacidad interruptora (50 mil A simétricos), no produce gases ni ruidos en el momento de operación, y resulta adecuado para fallas de proceso muy violento. Es eficiente para minimizar los altos esfuerzos de corriente de falla sobre el equipo y el sistema. El tipo de montaje puede ser de dos formas: para removerse desde el exterior del tanque y para removerse desde el interior del tanque por medio del registro de mano. Estos fusibles son de dos tipos, de rango parcial y de rango completo.

El fusible de rango completo (propósitos generales) está diseñado para liberar fallas tanto de alta como de baja corriente, por lo que no se requiere coordinar con otro fusible.

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 Víctor Manuel Estrada Molina
Es Ingeniero Electricista egresado del Instituto Politécnico Nacional. Actualmente, ocupa el puesto de gerente Técnico y es responsable del departamento de Ingeniería de Diseño y Optimización de Transformadores en Ambar Electroingenieria, S.A.
Contacto: ingenio1@ambarelectro.com.mx