Transformadores de distribución normativa vigente

Evitar pérdidas de energía requiere de especificaciones técnicas que deben obedecer a ciertas normas, cuyo fin último es contribuir al cuidado del medioambiente.

Por  Carlos Gaytán Cavazos y Enrique Betancourt Ramírez.

En mayor o menor grado, todas las naciones del mundo están tomando acción para limitar la generación de gases de invernadero. Un método eficiente para lograrlo es reducir las pérdidas energéticas en los aparatos eléctricos.

Como los transformadores de la red de distribución eléctrica cuentan con una carga energética constante, deben existir eficiencias mínimas, establecidas a través de normas.

Las normas mexicanas de transformadores definen las reglas mínimas de construcción y pruebas de aceptación para asegurar el correcto funcionamiento de acuerdo a la red eléctrica de distribución.

Un transformador que no se diseña y prueba de acuerdo con estas normas resulta menos confiable, tiene una vida más corta y crea pérdidas económicas a las empresas de energía.

A fin de explicar el impacto técnico de las eficiencias establecidas en las normas, se revisarán los criterios de diseño de un transformador de distribución.

Parámetros de diseño
De la curva de carga esperada en la zona de instalación de un equipo se derivan los factores de evaluación de:

• Pérdidas de excitación (“en vacío”)
• Pérdidas con carga

Con base en los kVA máximos de carga esperados se establecen los parámetros de:

• Temperatura de aceite superior (TAS)
• Temperatura de punto caliente (TPC) del aislamiento

De la oferta de cada fabricante se deriva el denominado costo evaluado:

• El costo de adquisición del transformador, más los productos de las pérdidas en vacío y de los devanados, por los correspondientes factores de evaluación

Perfil de temperaturas
El calor de las pérdidas eleva la temperatura del transformador. El enfriamiento por convección del aceite crea un perfil de temperaturas:

Punto caliente de los devanados
Dentro de las bobinas de un transformador, el calor se disipa por conducción, lo que crea una zona de máxima temperatura, denominada punto caliente del aislamiento

Temperaturas de operación en función de carga y pérdidas
La temperatura de operación del transformador depende del nivel de carga, K, y de la relación de pérdidas, R:

K – Factor de carga (carga actual/ carga nominal)
tpc – Temperatura del punto caliente, a carga diferente de la nominal
R – relación de pérdidas (= P. de excitación/ P. de devanado)
m – Exponente del devanado
n – Exponente del aceite

Condiciones de carga
La guía de carga de transformadores NMX-J-409-ANCE-2003 establece:

• Ecuaciones para calcular los parámetros térmicos de acuerdo con el diseño
• Condiciones recomendadas de carga basadas en los efectos acumulativos de los distintos perfiles a los que se somete el transformador
• A partir de estos datos se determina:
• Pérdida de vida acumulada en cada ciclo de carga
• Proyecciones basadas en el supuesto de repetición de estos ciclos para calcular la vida útil del aparato y compararla con la expectativa de vida de los transformadores que, por lo general, es del orden de 25 años

Ejemplo de ciclo diario de carga
Ejemplo de transformador de distribución, en donde los picos de carga duran pocas horas al día, con carga previa del orden del 50 por ciento (ciclo de servicio aproximado del 50 por ciento):

Condiciones que alteran la expectativa de vida
Con cierta frecuencia se subestima el ciclo de carga real que verá el equipo, en particular en lugares donde se desconoce la distribución precisa de carga. En poblaciones que crecen a un ritmo acelerado, la carga pico puede rebasar la capacidad máxima del equipo, por cierto tiempo dentro del ciclo.

En instalaciones comerciales o residenciales, los transformadores adquiridos pueden tener eficiencias inferiores a las de la norma, a pesar de los datos de placa, situación que se da por corrupción y mala información de los usuarios.

Un transformador de baja eficiencia implica pérdidas superiores a las de la norma, en la que los equipos no pasarían de manera satisfactoria una prueba de temperatura certificada.

Un transformador de baja eficiencia implica pérdidas superiores a las de la norma, que se corresponden con un equipo de menor capacidad.

Impacto económico de la capacidad inadecuada
Ejemplo de una familia de diseños con diferente capacidad, que cumplen con las eficiencias de norma ANSI.

Se observa el impacto económico de las sobrecargas sobre el costo de pertenencia del equipo, sin tomar en cuenta el costo por pérdida de vida.

Relación entre las pérdidas y el desempeño del equipo
Las pérdidas sin carga, o de excitación, están relacionadas con el desempeño térmico del núcleo ferromagnético:

• Un diseño de altas pérdidas de excitación puede tener puntos de calentamiento excesivo, que dañan al núcleo a mediano plazo y degradan de forma acelerada la calidad del aceite.
• El transformador de baja eficiencia resulta más barato, ya que utiliza material de calidad inferior y puede trabajar en saturación magnética, que produce ruido y armónicas.
• Las pérdidas del equipo representan energía drenada anormalmente del sistema de suministro eléctrico; si la medición está al nivel de baja tensión, el usuario no paga por estas pérdidas (en la legislación actual).
• El ruido y desgaste anormal se reflejan en el costo total de ciclo de vida del equipo.

Las pérdidas con carga, o de devanados, representan la energía que se pierde por el paso de corriente a través de los devanados y por efecto de corrientes parásitas inducidas en partes metálicas:

• Las pérdidas con carga son mayores mientras menor es la sección transversal de los conductores, tomando como referencia la corriente nominal.
• Un diseño de altas pérdidas es más barato, pues utiliza menor peso de devanados que uno que cumple la norma, o que aun la supera.
• Si bien la norma es sólo una referencia, representa el consenso de los participantes del sector eléctrico: compañías de electricidad, fabricantes, consumidores, academia.
• El uso de menor cantidad de material en los devanados está asociado a una menor resistencia a los esfuerzos mecánicos, como los impactos de corto circuito.

Altas pérdidas con carga representan alta temperatura de operación de los aislamientos, con el consecuente deterioro acelerado (regla de los 8°C). En particular, el papel y el cartón pueden fallar por impactos de corto circuito.

• Altas temperaturas de operación con carga implican también riesgo de derramar aceite por dilatación excesiva.

Eficiencias de la norma

Conclusiones
No especificar las eficiencias mínimas recomendadas por las normas, que resulta en equipos de menor costo y desempeño, es un ahorro mal entendido, pues representa un mayor costo de operación para el usuario final o para la compañía de energía.

Además de las implicaciones en costo de operación, la baja eficiencia conlleva calentamiento anormal del equipo cuando se exige de éste cargas del orden de la nominal. El calentamiento anormal introduce riesgos de fallas térmicas, derrame de aceite, ruido excesivo y baja resistencia al corto circuito.

Si bien la legislación exige el cumplimiento de las normas para la adquisición de los equipos, una verificación de las especificaciones y protocolos de prueba aseguraría la eficiencia de los equipos en operación.

————————————————————————————————————————————————-

——————————————————————————————————————————————————-

Autores
Carlos Gaytán Cavazos, graduado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL, con maestría en Ingeniería Eléctrica por el ITESM. Ha colaborado con Prolec GE como ingeniero de diseño y gerente de ingeniería de transformadores de distribución. Es miembro de IEEE, en el Comité de Transformadores, y ha publicado artículos relacionados con la tecnología y diseño de transformadores eléctricos.

Enrique Betancourt Ramírez, graduado de la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la UANL; Ingeniero Alemán por la Universidad Tecnológica de Aachen, Alemania. Colabora con  Prolec GE en desarrollo tecnológico. Ha publicado artículos en foros a nivel mundial, es miembro de IEEE, en el Comité de Transformadores, y SIGRE.