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Subestaciones Transformadoras Una subestación transformadora consiste en un conjunto de equipos destinados a recibir la energía a alta tensión proveniente de un suministro de energía, transformándola en otra forma más adecuada para la distribución local y a transferir esta energía a los alimentadores de la red primaria de distribución a través de aparatos de corte adecuados para la protección del servicio contra los efectos de averías. Muchas veces, se disponen también los procedimientos para la regulación de la tensión aplicada a los alimentadores. Generalmente, la energía es recibida a media o alta tensión y se transforma en energía a tensión más baja, sin modificar la frecuencia. Se define como unidad de subestación secundaria a una subestación transformadora cuya sección de salida está por debajo de los 1000 voltios. Una unidad de subestación secundaria típica consiste de tres secciones: 1. 2. 3.
Una sección de entrada que recibe un alto voltaje de línea entrante (2400 a 13,800 voltios). Una sección de transformación que transforma el voltaje entrante reduciéndolo al voltaje de utilización (208/120 a 600 voltios). Una sección saliente que distribuye la energía a los alimentadores de salida y proporciona protección para estos alimentadores (600 voltios y menos).
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La forma más sencilla de una subestación transformadora se representa en la figura 18, cuyo esquema se aplica para
potencias comprendidas entre 600 y 3000 kVA. El equipo consiste en un seccionador de alta tensión, capaz de interrumpir la corriente de vacío del transformador, un transformador trifásico y un disyuntor o interruptor para la línea primaria de distribución equipado con relés de sobrecarga y de reconexión automática, seccionadores a ambos lados del disyuntor y seccionador de paso directo para la revisión del propio disyuntor; el disyuntor está provisto de enclavamiento, de forma que no es posible abrir los seccionadores si no está abierto el interruptor.
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La subestación representada en la figura 19 es similar a la anterior excepto en que, en el lado de baja tensión lleva un
Unidades de Transformación Secundarias
juego de barras generales y varios alimentadores primarios cada uno de ellos con su correspondiente interruptor. Las subestaciones representadas en las figuras 18 y 19 están servidas mediante un subcircuito único de transmisión radial. Generalmente, entre los interruptores de las líneas primarias de distribución y el seccionador de la parte de alta tensión, existe un enclavamiento que impide que la carga pueda ser interrumpida por dicho seccionador: es decir que
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éste no puede abrirse si no están abiertos interruptores de la parte de baja tensión.
todos
los
En la figura 20 se representa el esquema de una subestación transformadora con posible alimentación a través de un subcircuito auxiliar de transmisión. En el lado de alta tensión, lleva un conmutador o dos interruptores con enclavamiento también llamados transfers, de capacidad suficiente para cortar la corriente de vacío del transformador.
Cuando existe un defecto en el circuito normal de alimentación, la alimentación puede trasferirse al circuito auxiliar de suministro, mediante la operación manual o automática del conmutador de alta tensión, restableciéndose de esta forma el servicio de la carga alimentada por la subestación. Tal como se indica en la figura 20, también suele instalarse un interruptor general en el lado de baja tensión, con objeto de simplificar la maniobra de conmutación y los circuitos de enclavamiento. El conmutador seccionador de dicha figura puede sustituirse por dos interruptores automáticos accionados manualmente, uno en cada línea de
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alimentación y enclavados de tal forma que solamente pueda permanecer cerrado uno de ellos; cuando se instalan estos interruptores, es costumbre suprimir el interruptor general en el lado de baja tensión. Este tipo de subestación es muy apropiado para la alimentación de abonados industriales.
La figura 21 muestra el esquema de una subestación con dos transformadores y doble línea de alimentación. La potencia de los dos transformadores se reparte entre dos unidades o dos bancos de unidades, cada uno de los cuales está normalmente conectado a un subcircuito de transmisión diferente. Entre las dos secciones de las barras generales de distribución se disponen seccionadores, que están abiertos en condiciones normales; estos seccionadores están enclavados con los interruptores de salida de los secundarios de ambos transformadores, de forma que se impida la marcha en paralelo de dichos transformadores. La potencia de cada transformador ha de ser suficiente para cubrir la carga total de la subestación. Normalmente, las barras de baja tensión están seccionadas, con objeto de reducir la corriente de cortocircuito en los interruptores. Este tipo de subestación proporciona una aceptable seguridad de servicio.
El Transformador Los transformadores se emplean para modificar simultáneamente los dos factores, tensión y corriente, de la potencia eléctrica. Un transformador es un aparato ideado para cambiar un voltaje de C.A. —o un voltaje de C.C* periódicamente variable— de un valor a otro sin producir ningún cambio en su frecuencia. Sin embargo, debe observarse que si bien la corriente recibida por un transformador puede ser corriente continua pulsante o *
Recordemos que la corriente continua es la que circula siempre en una misma dirección, pudiendo ser de voltaje e intensidad constante o variable. Si no se especifica, se supone de voltaje e intensidad constantes, y cuando éstos varían periódicamente, suele llamarse pulsatoria.
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corriente alterna, la corriente de salida será siempre corriente alterna. Construcción Constan esencialmente de un núcleo magnético de circuito cerrado, sobre el que se arrollan dos bobinas aisladas una de la otra. El transformador ordinario se compone de un arrollamiento primario conectado a la fuente de energía, un núcleo de hierro formado con láminas y uno o varios arrollamientos secundarios. (Figura 1). Teóricamente, puede usarse como primario cualquier arrollamiento siempre que se aplique voltaje y la frecuencia correctos. El núcleo laminar de hierro sirve como un medio eficiente para acoplar magnéticamente los arrollamientos primario y secundario. Se compone de chapas de hierro magnético, con un porcentaje de silicio; estas chapas, de un espesor de 0.25 a 0.5 mm, se aíslan por una cara. Al ser el núcleo de chapas delgadas las pérdidas de corrientes de Foucault son pequeñas. La aleación de silicio confiere al hierro una elevada permeabilidad, perdiendo rápidamente el magnetismo remanente al cesar el campo magnético. Como los transformadores carecen de piezas en movimiento, sólo tienen pérdidas relacionadas con el arrollado o el cobre (óhmicas) y en el hierro; poseen un elevado rendimiento. Se consideran dos clases de pérdidas en el transformador: 1. Pérdidas en el hierro (por histéresis y por Corrientes de Foucault). Su valor es constante cualquiera sea la carga, pudiéndose determinar por tanto en vacío. 2. Pérdidas en el cobre (en las bobinas). En vacío son casi nulas, aumentando con la carga. En los transformadores se distinguen dos clases de rendimiento: el de la carga nominal (por ejemplo: para 1 kVA aproximadamente 0.9; para 1000 kVA, aprox. 0.98) y el rendimiento en servicio, es decir, considerando las variaciones habituales de la carga (diurna, nocturna, días laborables y feriados, etc.)
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Figura 3
Funcionamiento Un voltaje periódicamente variable aplicado al arrollamiento primario produce una intensidad de corriente variable que a su vez desarrolla un flujo variable que atraviesa el núcleo de hierro. Este campo magnético variable producido corta todos los arrollamientos, induciendo en cada uno de los secundarios un voltaje proporcional a su número de vueltas.
Relación de los voltajes La relación del voltaje primario al voltaje secundario es casi igual a la relación del número de vueltas del arrollamiento primario al número de vueltas del arrollamiento secundario, como se indica por la fórmula:
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Vueltas del sec undario Voltaje primario = Vueltas del primario Voltaje sec undario
La tensión del secundario, de acuerdo con las leyes de la autoinducción, está desfasada respecto de la tensión del primario en 180°.
Funcionamiento con carga El voltaje inducido en el arrollamiento primario, cuando los otros arrollamientos están abiertos, por el flujo creciente y decreciente del núcleo es prácticamente igual al voltaje aplicado; además, este voltaje inducido se opone directamente al voltaje aplicado; por consiguiente, la corriente tomada a la línea es pequeña. Cuando se cierra un circuito secundario, circula una corriente alrededor del núcleo de hierro en dirección opuesta a la corriente primaría, reduce el flujo del núcleo y el contra voltaje del primario. Esto hace que la corriente en el primario varíe según la carga del secundario, A este fenómeno se debe que el transformador se ajuste automáticamente a los cambios en la carga del secundario. Dos bobinas o arrollamientos puestos alrededor de un solo núcleo magnético forman un transformador. En un transformador podemos tomar una corriente alterna intensa de bajo voltaje y cambiarla en una corriente poco intensa de voltaje elevado; o bien, podemos tomar la corriente alterna de poca intensidad y voltaje elevado y transformarla en una corriente intensa de voltaje bajo. Esta propiedad del transformador hace que sea posible emplear generadores, llamados alternadores, que producen corrientes alternas de una intensidad moderadamente grande a voltajes moderadamente altos y transformarlas en corrientes de voltaje muy elevado e intensidad apropiadamente reducida para enviarlas por las líneas de transmisión. Tal vez se pregunte el lector por qué queremos emplear corrientes poco intensas en nuestras líneas de transmisión. Pues bien, la razón es sencillamente porque la potencia necesaria para obligar a la electricidad a vencer la resistencia de las líneas varía en razón directa del cuadrado de la intensidad de la corriente.
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Una corriente dos veces mayor significa cuatro veces más potencia para vencer la resistencia de la línea, en tanto que una corriente de la mitad de intensidad significa una potencia cuatro veces menor para vencer la resistencia. Por consiguiente, disminuyendo la corriente a una décima parte de su valor inicial por medio de un transformador reducimos la pérdida de energía debida a la resistencia a una centésima parte de lo que podría haber sido si no se empleara el transformador Reduciendo así el efecto de la resistencia de la línea en la pérdida de energía, podemos emplear conductores más delgados, que contienen menos cobre, para nuestras líneas de transmisión a larga distancia. El costo de los conductores de cobre gruesos y la dificultad que supone manejarlos y soportar su peso considerable, hace que no sea económico transmitir corriente continua a una distancia mayor de kilómetro y medio a tres kilómetros; pero, utilizando corrientes alternas con transformadores es económicamente posible construir y utilizar líneas de transmisión de una longitud de muchos cientos de kilómetros. En la figura 2 se ha representado el principio elemental de un transformador. En este caso, tenemos dos arrollamientos en los lados opuestos de un núcleo de hierro en forma de anillo. En realidad, en la práctica es más corriente bobinar sobre la parte exterior del núcleo y colocar las dos bobinas en un mismo lado del núcleo de hierro. Más adelante estudiaremos todos los tipos de transformadores y sus usos.
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Figura 4: Núcleo y arrollamientos de un transformador sencillo
La fuente de corriente y voltaje alternos se conecta al arrollamiento primario del transformador. El arrollamiento secundario se conecta al circuito en el que se desea un voltaje más alto y una corriente menos intensa, o bien, una corriente más intensa y un voltaje menor que en el primario. Si el número de vueltas del arrollamiento secundario es mayor que el del arrollamiento primario, el voltaje secundario será mayor que el primario y los dos voltajes estarán en la misma proporción que el número de vueltas de los dos arrollamientos. La corriente secundaria será entonces proporcionalmente menor que la corriente primaria. Si el número de vueltas del secundario es menor que el del primario, el voltaje secundario será proporcionalmente menor que el aplicado al primario, y la corriente secundaría será mayor en la misma proporción. La corriente alterna está cambiando, constantemente aumentando y disminuyendo de intensidad continuamente. Cada cambio de la corriente alterna del arrollamiento primario del transformador produce un cambio análogo en el flujo interior del núcleo. Cada cambio de éste y cada variación correspondiente del campo magnético alrededor del núcleo, produce una fuerza electromotriz que cambia análogamente en el arrollamiento secundario y hace que circule una corriente alterna por el circuito conectado al secundario.
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Diferencias constructivas Según su núcleo se distinguen en tipo de columnas y acorazado (figuras 5 y 6). Las bobinas pueden ser cilíndricas o bien lanas o discoidales. Estas últimas tienen la ventaja de que las diferencias de tensión en una misma bobina son más pequeñas y que son fácilmente recambiables; su refrigeración es también mejor. La bobina con mayor número de espiras se llama de alta tensión y la de menos de baja tensión. Normalmente están colocadas en la misma columna, aunque excepcionalmente pueden estarlo en columnas distintas.
Figura 5. Transformadores monofásicos de columnas
Figura 6. Transformador monofásico acorazado y transformador trifásico de columnas
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En los transformadores pequeños al aire, el calor que desprenden se elimina por convección. En medianas potencias también se usan transformadores al aire llamados también del tipo seco (figura 7). Para potencias mayores, a fin de mejorar el aislamiento y la refrigeración, se construyen sumergidos en aceite, colocando las partes activas del transformador (es decir, las partes con tensión), en una cuba que tiene uno radiadores de refrigeración. Como el aceite al calentarse se dilata o expande, se dispone de un depósito de expansión (figura 8). Para grandes potencias el aceite se hace circular mediante bombas a través serpentines refrigerados por agua. También en muchos casos se dispone de ventiladores que operan automáticamente para proveer de ventilación forzada a los radiadores cuando hay alarma de temperatura. La conexión de los transformadores de potencia se hace mediante interruptores de potencia. En el lado de Alta tensión es además obligatoria la conexión de disyuntores. Éstos no pueden accionarse bajo carga
Figura 7. Transformadores del tipo Seco
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