Proposta de apresentação de Trabalho Técnico para CIGRÉ XI ERIAC

Propuesta de presentación de
CONTRIBUCIÓN TÉCNICA
para el XV ERIAC
ANÁLISIS DE PROBLEMAS DEBIDOS A LA SATURACIÓN MAGNÉTICA DE
TRANSFORMADORES --- A2 17
F. R. Marull
*Cammesa
R. Sirabonian
*Consultor Independiente
L. Olivera
*C. T. M. de Salto Grande
D. Guerrero
*C. T. M. de Salto Grande
1. RESUMEN:
El presente trabajo analiza las situaciones planteadas en la operación de transformadores de potencia
cuando durante algunos períodos entran a trabajar en zonas de elevada saturación magnética
produciendo diversos tipos de inconvenientes.
Se trata aquí un tema que causa preocupación en muchos países del mundo, que en gran medida es
causada por especificaciones incompletas o diseños demasiado ajustados que no se adaptan
totalmente a las exigencias de la operación.
En ese sentido se producen en operación normal de la unidad valores de E / f, inconvenientes para el
funcionamiento de la misma, originando sobreexcitación en gran parte debido a un diseño
magnético inconveniente por parte de algunas unidades, mientas que otros casos no registran ese
problema.
Los inconvenientes producidos por la saturación magnética DEL NÚCLEO son; sobrecalentamiento
del núcleo, de los conductores, de partes metálicas y la aparición de vibraciones.
Las pérdidas que tienen lugar son, por corrientes de Foucault y por histéresis que son función
exponenciales con la inducción operada, produciendo calentamientos en a todos los elementos
metálicos como ser conductores y elementos de fijación.
Las vibraciones por magnetostricción, también producen deterioros en el sistema de anclaje y en el
acuñamiento, además que hacen superar de niveles aceptados de contaminación sonora.
Palabras-Claves:
Inducción (Flujo) Magnético, Fujo magnético de dispersión. Tensiones Nominales, Regulación,
Núcleo Aislaciones, Especificaciones Técnicas, Tensiones de de servicio operadas.
2. INTRODUCCIÓN
Debido a que el Núcleo de un transformador es de gran importancia durante el servicio siendo
también un elemento clave durante toda la vida útil del transformador, siendo además que los
inconvenientes que se pueden producir en el núcleo son muy difíciles de detectar en forma preventiva,
además en la mayoría de los casos conllevan a deterioros irreversibles del núcleo con reparaciones de
elevado costo y riesgosas para el propio activo
Se entiende que es un componente que bajo ciertas condiciones, la corriente de excitación, es función
aproximadamente lineal de la inducción B, pero puede tomar valores muy elevados al superar la zona
(lineal, traspasando el codo de saturación de la laminación magnética( valor de Φ )
Cuando se trabaja en la zona de elevada la saturación magnética los problemas usuales en el Núcleo
son; sobrecalentamiento del núcleo del ferrosilicio, puntos calientes de los conductores, y partes
metálicas
La aparición de vibraciones son perjudiciales para la integridad del transformador.
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En el presente trabajo se analizaron los inconvenientes provocados por esta situación en la operación
de los transformadores, además se aportan algunos detalles para incorporar a las Especificaciones
Técnicas de modo que que luego en operación el transformador no presente inconvenientes por esta
razón.
3. ANTECEDENTES
En el Sistema Interconectado Nacional Argentino hay instalados Transformadores que por esta causa
están limitados en su operación y no pueden entregar la potencia nominal, apareciendo limitaciones
inadmisibles para su uso pleno en el Sistema de Transmisión.
El inconveniente apareció en unidades que en operación no pudieron entregar la potencia nominal
llegando a saturar el núcleo que en principio planteó controversia entre operadores , administradores
del Sistema Interconectado y proveedores de equipos.
También llevo a modificar las Especificaciones Técnicas que existían mejorando la situación para
nuevas unidades.
No obstante en el trabajo se profundiza sobre esta problemática a efecto de aportar elementos que
ayuden a evitar posibles inconvenientes.
4. ALGUNOS INCONVENIENTES PRODUCIDOS POR LA SOBREEXITACIÓN
El fenómeno de sobreexitación, trae muchos inconvenientes en la operación de los Transformadores
de Potencia, estos son el calentamiento de todo elemento metálico en el interior del transformador y
las vibraciones por tanto amerita aplicar medidas correctivas.
Sobrecalentamiento del Núcleo, conductores, partes metálicas y Vibraciones: El Núcleo de un
transformador es de gran importancia durante el servicio y durante toda la vida útil.
Bajo ciertas condiciones, la corriente de excitación (Iexc) es función lineal de la inducción B, pero
puede tomar valores muy elevados al superar la zona lineal y al traspasar codo de saturación del FeSi,
debido a esto se necesitaran valores elevados de corriente para tener incremento de B dando lugar a
Sobrecalentamiento del Núcleo, conductores, partes metálicas y Vibraciones.
Veamos la curva de Magnetización de una chapa magnética para núcleo de elevada calidad tipo M4
de grano orientado;
2
1,8
1,6
1,4
Curva de Magnetización Tesla
vs
Pot exit (VA/KG)
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0,01
0,1
1
10
100
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Las pérdidas que tienen lugar son:
Por Corrientes de Foucault que son función del cuadrado de la inducción.
Por Histéresis que son función exponencial Ќ= 1,8 de la inducción.
Por corrientes inducidas por el flujo disperso, que son función del cuadrado corriente operada
produciendo calentamientos a todos los elementos metálicos como ser conductores y elementos de
fijación.
Por causa del carácter no sinusoidal de la Iexc, dado el elevado contenido de armónicas en el flujo
disperso, se originan pérdidas parásitas en el núcleo y otras partes metálicas que son proporcionales al
cuadrado de la corriente operada además de sus frecuencias.
Fenómenos adicionales como ser las Vibraciones por Magnetostricción .que producen deterioros en
el sistema de anclaje y en el acuñamiento, además que hacen superar de niveles aceptados de
contaminación sonora. Este fenómeno se agrava cuando en el núcleo del transformador, las capas
presentan rebabas que pueden soldarse al golpear contra otra chapa contigua
El problema de Flujo y F.E.M, insuficientes para sostener la tensión secundaria U2. Si el Núcleo de
un transformador se encuentra en la zona de saturación producirá grandes pérdidas, deterioros en su
interior, pero además no entregará la tensión requerida por la carga del secundario, puede suceder que
el aumento de la corriente de exitación necesaria para la exitación haga mayor la caída por
impedancia interna. Veamos la curva de pérdidas del material tipo M4 en función de la inducción
magnética;
2
1,9
1,8
Curva de Pérdidas
W/Kg vs inducción en
Tesla
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
0,5
5
5. VEAMOS LAS CAUSAS QUE PRODUCEN LA SOBREEXCITACIÓN:
Veamos las causas que pueden producir la elevación del flujo magnético y llegar a la sobreexitación
en función de la formula de la inducción.
  B. A1 
E1.108
Gauss.cm2
4.44  f  N1 
Elevación de la tensión primaria: Si bien lo usual es que la Tensión primaria en el sistema de
transporte se mantiene alrededor de los 500 kV pueden ocurrir situaciones operativas transitoria que
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eleven la tensión primaria superando los 1.05 pu que es lo admitido por las normas, esto no debería
traer inconvenientes.
Variaciones de la relación de transformación operada por el Transformador: La relación Volts/espiras
es variable, para que los Reguladores Bajo Carga (R.B.C.) puedan mantener la tensión constante de
salida ante fluctuaciones de carga y/o variaciones de la Tensión Primaria.
Esto implica operar con B y N variables en los transformadores con el R.B.C. en lado primario ya que
se les suprimen espiras para elevar el flujo Φ y compensar las caídas internas cuando suministran
elevados valores de carga. El efecto de esta operación es elevar el valor de los Vol/espira a la cual
opera el Transformador.

4.44. f
E1
  NRBc
[volt / esp]
8
10
N1

Variaciones de la frecuencia Si bien es poco frecuente que ocurran variaciones de frecuencia en los
Transformadores de Transmisión, cuando están operando en sistemas interconectados, la situación
solo se da cuando el subsitema queda en isla. Esta situación es más probable en Transformadores
Elevadores de Generación (Setp Up).
Veamos la fórmula del Flujo donde N2 es constante la relación es directa.

4.44 N 2 E2
Gauss.cm2

f
10 8
Es por ello que el uso de los relés de flujo está reemplazando a los de sobretensión a los efectos de
proteger contra la sobreexitación del núcleo, nuestro caso debe ser instalado en el arrollamiento que no
posee RBC y se lo pude vincular al flujo mediante un algoritmo.
Los niveles de ajuste deben ser coordinados con la curva de magnetización del transformador.
El ajuste de tiempo debe ser tal que permita la realización de maniobras correctivas mucho antes que
la desconexión intempestiva
Cambios de estado de las Cargas: La desconexión súbita de líneas, de grandes cargas o de líneas largas
descargadas que producen grandes elevaciones de tensión, el problema ocurre especialmente en los
transformadores, al momento de la contingencia se encuentran con los Taps en menor cantidad de
espiras.
La Regulación y el Cos φ de la carga. Es de gran utilidad para la operación conocer la caída de tensión
cuando el transformador opera con la carga nominal, también debe ser tenido en cuenta en el diseño.
También este valor es llamado Regulación de un Transformador, presentamos la fórmula para el caso
de dos devanados:
REG  100 
 m  r  n  x 1
2
2
[ pg.672 Knowlton]
REG = Es la Regulación
m = factor de Potencia de la carga (cos φ)
n = factor de Potencia Reactivo de la carga (sen φ)
sen   /  1  m 2  negativo cuando es capacitivo y positivo cuando es inductivo
r = factor de resistencia = pérdida en KWdel ensayo de C.C./ KVA nominales del transformador
x  z 2  r 2  factor de reactancia del transformador
z = KVA del ensayo de C.C./ KVA nominales del transformador
Existe una formula simplificada muy utilizada para la mayoría de las aplicaciones del cálculo de la
caída de tensión, aunque que es aproximada.

m * x  n * r 2 
REG  100  m * r  n * x 

2


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Diseño de los núcleos modernos: Motivos económicos tales como, peso, tamaño levaron a los
fabricantes a diseñar los mismos, con elevados valores de B nominales,( entre 1,7- y 1,8 T), cercanas
al codo de saturación (1,9T). Al existir sobretensiones, con estas inducciones, se supera fácilmente el
codo de saturación y se llega a la sobreexcitación del transformador aumentando notablemente la
corriente de excitación que pueda llegar del 1% al 7% de la In agravando la situación.
Se puede tener presente que algunas Recomendaciones de operadores recomiendan diseñar con un
valor de saturación del orden del 130 % respecto a los valores nominales tal es el caso del Tutorial
presentado en reunión del comité de transformadores IEEE por el P. Eng.V. SANKAR octubre 2001.
Posición física de los arrollamientos: El flujo disperso cambia según se alimente el bobinado interno o
externo, produciendo concentración del flujo en el brazo superior o en los yugos laterales.
6.
ESQUEMA ELÉCTRICO
Este es el esquema completo del transformador, presenta para la parte magnética un transformador
ideal y las impedancia esta referidas al lado secundario.
Zb representa la carga secundaria
Z’p = R’p + jL’p
I’p
Ip
Vp
Ns V’p
Np
Im
Zs = Rs + jLs
Is
Ie
jLe
Re
If
Zb = Rb + jLb
E’p= E’s Vs
TI
Diagrama Fasorial
Del mismo modo se puede obtener el diagrama fasorial, que responde este esquema del transformador
completo.
Referencias
Vp: Tensión primaria.
N : Transformador ideal de relación Np / Ns.
V’p: Tensión primaria referida al secundario.
E’p: fem primaria referida al secundario.
Es: fem secundaria.
Ip: Corriente primaria.
I’p: Corriente primaria referida al secundario.
Ie : Corriente de excitación.
Im: Corriente magnetizante.
If : Corrientes de pérdidas en el hierro.
Is : Corriente secundaria.
R’p: Resistencia del primario ref. al secundario.
L’p: Inductancia de dispersión primaria ref. al secundario.
Rs : Resistencia del secundario.
Ls: Inductancia de dispersión secundaria.
Rb: Resistencia de la carga.
Lb: Inductancia de la carga.
V’p
jI’p ·L’p
I’p·R’p
E’p = Es
jIs ·Ls
Is ·Rs
Vs
Ie
Is = I’pb
Ie
Im
If
I’p
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Se puede estar de acuerdo con este modo de cálculo, pero ellos van a operar con valores mayores las
tensiones aceptadas de un transformador incluso ajustar las protecciones con este criterio, pero lo
grave estará que esta modalidad no contempla la situación creada por el RBC restando espiras al
primario cuando los topes de regulación de tensión son aplicados en el lado del primario y la tensión
primaria permanece cuasi constante.
Se debe estudiar caso por caso acordando un algoritmo más ajustado a la realidad.
Pag.8/15 Referencia [Libro E.E. Staff MIT] – Punto 5 del Capítulo 27 - Pág. 620, “…hay que tener en cuenta
que el circuito equivalente sólo representa el comportamiento externo del transformador y una resistencia
negativa en una rama del circuito equivalente no significa una pérdida negativa en la carga de uno de los
devanados”. Luego comenta:
Por lo expuesto, no es posible determinar la FEM de un arrollamiento de un transformador mediante el
valor de la tensión en bornes, la corriente de arrollamiento y la impedancia de arrollamiento calculada
con los datos de placa.
Con respecto al tema del modelo matemático más adecuado para estudiar el problema de la saturación
de los transformadores, entiendo que el elegido usualmente por los analista, se adecúa perfectamente
para el estudio de los flujos, parámetros tales como las componentes fasoriales, pero no aplica en
forma conveniente para analizar los flujos dispersos concatenados en el interior del la unidad.
Se podría aceptar que el modelo matemático más adecuado para analizar los fenómenos magnéticos
en los transformadores es el que figura en el propio Libro E.E. Staff M.I.T. – Punto 8 del Capítulo 13
- Pág.341 Determinación de los Parámetros Mediante Ensayos. Este esquema también es el que ha
sido planteado en el prestigioso libro de transformadores L.F. Blume, A. Boyagian, Camilli,,,y V.M.
Montsinger en sus pag. 70 y 71 Circuito Equivalente plantean que el esquema más recomendable
para el análisis de los problemas de saturación de los transformadores, dado que considera la
impedancia de dispersión de unificada ya que involucra mayormente elementos mutuos de los
arrollamientos, por tanto se desarrolla y justifica la utilización del esquema siguiente:
R1
X12
Xmg
V1
Rmg
E20
R2
Circuito exitado
de Secundario
V2
V2
Iex
7. EJEMPLO CÁLCULO DE REGULACIÓN DE UN TRANSFORMADOR DE 300MVA
Veamos en un caso de un transformador 300MVA impedancia X =17% nos da por resultado una
caída del 9 % para cos φ = 0,9 y de 12% para cos φ = 0,8 que el lo requerido por la noma ANSI o la
Adenda de la ET Nº 19 de Transener por lo aquello que son previos a la vigencia de la misma están en
peores condiciones.
No obstante implica que un transformador al entregar el 100% de la carga con cos φ = 0,8 estaría
obligado a trabajar con el RBC en - 12% menos espiras si se requiere elevar el 5% la tensión
secundaria estaríamos en el 17% sobre la nominal de diseño por lo que se debe revisar lo especificado
de la norma, que especifica que se pueda trabajar con 110% de saturación.
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Calculo de REG %
Perdi a s en C. C./3
Impeda nci a Z %
344
344
344
17.13
17.13
17.13
100000
100000
100000
R Factor resist. (pu)
0.00344
0.00344
0.00344
X %Factor react (pu)
0.1713
0.1713
0.1713
0.8
0.9
1
Potenci a nomi na l /3
m = Cos
n = Sen
0.60
0.44
0.00
REG pu
0.114
0.089
0.018
0.115
0.089
0.018
Formula simplif
6.- CONCLUSIONES
El tema merece un tratamiento muy especial debido a que los inconvenientes que trae a la operación,
produciendo limitaciones a la capacidad operativa nominal de las unidades, además de hacer correr serios riesgos
de acortar la vida del transformador, cuando se pretende regular la tensión secundaria reduciendo el numero de
espiras primarias con el RBC .
Seria conveniente modificar las Especificaciones Técnicas, mejorando la usadas hasta la fecha y ampliar con
condiciones particulares, al efecto para asegurar el funcionamiento sin limitaciones operativas del sistema de
transporte.
Se recomienda en la Revisión de Diseño tomar los márgenes de modo de verificar que el codo de saturación se
pueda encontrar por encima del 120% de la inducción nominal al efecto de cumplir con cierta amplitud el 110%
requerido por IEC, además tener presente que hay especialistas que recomiendan un 130%
Se deberá revisar el uso de de la especificación de Flujo Constante CFVV por la de Flujo Variable VFVV
que refleja mejor las necesidades de la operación pero es mas costosa, lo óptimo sería especificar los
transformadores con Regulación Combinada CbVV, que sería lo ideal del punto de vista económico.
Para los transformadores existentes en operación se recomienda obtener la curva de magnetización del
transformador hasta el Codo de Saturación. La curva puede obtenerse, por información del fabricante, de los
protocolos de ensayos o mediante la realización Mediciones de campo que permitan conocer la verdadera
ubicación del codo de saturación (son simples ).
A los efectos de proteger las unidades contra la sobreexitación del núcleo puede ser usado un relé de flujo V/f ,
esta protección debe ser instalada en el arrollamiento secundario o terciario. Los niveles de ajuste deben ser
coordinados con la curva de magnetización del transformador. El ajuste de tiempo debe ser tal que permita la
realización de maniobras correctivas, mucho antes que la desconexión intempestiva, que se pretende evitar.
Datos de los Autores:
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Provincia:
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FERNANDO R. MARULL
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Adcr. Cammesa. Grupo Asesor Transporte
Analista Gestión de Activos de Transformadores
54 / 345 / 431-0939
Barrio ARTIGAS Casa N°17
Concordia
Entre Rios
C 3200 ARG
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Autor 1:
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Institución:
Cargo/Función:
Teléfono/Fax/Celular:
Direción:
Ciudad:
País
RICARDO SIRABONIAN
[email protected]
Consultor Independiente.
Analista Senior Diseño de Transformadores
54 / 11 / 4611- 6125
Av. Avellaneda 2390 3°A
Ciudad Autónoma de Buenos Aires
Argentina
Autor 2:
e-mail:
Institución:
Cargo/Función:
Teléfono/Fax/Celular:
Direción:
Ciudad:
Departamento:
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LUIS OLIVERA
[email protected]
Comisión Técnica Mixta de Salto Grande
Jefe Sector Oficina Técnica Transmisión
54 / 345 / 421 6612 Int 3531
Joaquin Suarez 598
Salto
Salto
50000
Uruguay
Autor 3:
e-mail:
Institución:
Cargo/Función:
Teléfono/Fax/Celular:
Direción:
Ciudad:
Departamento:
Código Postal:
País
DAVID GUERRERO
[email protected]
Comisión Técnica Mixta de Salto Grande
Grupo de Formación Profesional
54 / 345 / 421 6612 Int 3572
Rivadavia 1187
Concordia
Concordia
C 3200 ARG
Argentina