Loe raamatut: «Montaje de centros de transformación. ELEE0209»

Capítulo 1

Centros de transformación

1. Introducción

El presente capítulo desarrolla los distintos elementos y características de los que se componen los diferentes tipos de centros de transformación existentes. Se conocerán a fondo los tipos de transformadores y sus características y, además, se estudiarán los elementos constructivos y estructurales, tales como apoyos, herrajes y tirantes, necesarios para el montaje de transformadores de intemperie. Se analizarán los elementos que alberga un cuadro de baja tensión, prestando especial atención a la interconexión con el transformador.

A lo largo del capítulo, se describirán los componentes que forman una red de puesta a tierra, así como todos los elementos de protección y maniobra necesarios para salvaguardar la seguridad de las personas y la instalación.

Se analizarán las casetas de los transformadores y se estudiarán las características que son necesarias para cumplir con la normativa de seguridad, así como las ventajas que presentan las casetas prefabricadas para albergar el transformador de tensión.

Finalmente, se expondrán todos aquellos elementos y aparatos que se emplean para la señalización de la instalación y su medida, así como los distintos sistemas de auxiliares necesarios para el buen funcionamiento de la instalación.

2. Tipos y características de los centros de transformación

Tanto para alta como para baja tensión, los centros de transformación constituyen uno de los elementos principales en la red eléctrica, ya que se permite variar su tensión y, de esa manera, acondicionar el flujo de energía eléctrica en función de la tensión deseada en la instalación. Por tanto, su función principal es la variación de la tensión a la entrada y a la salida del centro transformador.

Centro de transformación

2.1. Tipos de centros de transformación

Dependiendo de su función, emplazamiento, tipo de alimentación, etc., es posible encontrar distintos tipos de centros de transformación. A continuación, se pasa a enumerarlos y a desarrollar sus características principales.

Según su alimentación, se pueden encontrar centros de transformación en punta o intermedios:

1 Centro de transformación intermedio o en anillo: este centro de transformación puede disponer de una línea de entrada y otra de salida o de dos líneas de entrada, su objetivo es servir o bien de apoyo para establecer una red en forma de anillo alrededor de un núcleo poblacional que sirva de abastecimiento o enlazar una subestación transformadora o centro con el siguiente para transportar la energía a lo largo de una línea eléctrica.

2 Centro de transformación en punta: este centro dispone de una línea de alimentación general que abastece a la línea de derivación o a la red de distribución.

En función del emplazamiento del centro de transformación, se pueden encontrar los siguientes tipos:

1 Centro de transformación de intemperie: van montados directamente sobre los apoyos de las líneas, su uso principal es el abastecimiento de derivaciones en entornos rurales, así como instalaciones aisladas; también se emplean para instalaciones provisionales, ya que no requieren de habitáculo para alojarse.

2 Centros de transformación de interior: se encuentran dentro de una habitación totalmente acondicionada, que puede ser construida o prefabricada. Generalmente, los centros de transformación de interior albergan mayor potencia que los de intemperie. Los centros de transformación de interior pueden ser de superficie, en cuyo caso se deberá disponer de un recinto totalmente aislado del exterior y correctamente acondicionado, o subterráneos, en donde toda la aparamenta, incluido el transformador, se encuentra bajo el vial público o en la planta sótano de un edificio.

Según el propietario del centro de transformación, se puede distinguir:

1 Centro de transformación abonado: pertenece al cliente y su abastecimiento procede de la red de la empresa suministradora de energía.

2 Centro de transformación de empresa: pertenece a la compañía suministradora y abastece a red de distribución, generalmente en baja tensión.

Según el criterio constructivo, se pueden distinguir los siguientes tipos de centros de transformación (CT):

1 CT compacto: pueden situarse en la superficie o enterrados. Esta clase de centros ocupan muy poco espacio, haciéndolos muy útiles para emplazarlos en lugares donde se dispone de un espacio reducido. Generalmente, son instalaciones prefabricadas, que disponen de todos los elementos y componentes necesarios para el correcto funcionamiento y conexionado del transformador. Nota: El centro de transformación compacto se usa tanto para instalaciones provisionales como permanentes.Centro de transformación compacto

2 CT de maniobra: su estructura está realizada en un bloque único en cuyo interior se albergan el transformador y tres celdas de interrupción de carga que se pueden maniobrar desde el exterior. Su instalación se realiza en la superficie y dispone de dos puertas que permiten acceder a su interior para el mantenimiento.

3 CT convencional: fueron los primeros centros de transformación construidos en ladrillo u hormigón. En la actualidad, se están sustituyendo progresivamente por los nuevos centros, de características y condiciones de seguridad adecuadas.Centro de transformación convencional

4 CT prefabricado: las casetas que contienen el transformador están fabricadas estructuralmente en un solo bloque de hormigón. Estos centros presentan la característica de facilidad de transporte, debido a sus ajustadas dimensiones, y una gran resistencia a los agentes climatológicos.

2.2. Características de los centros de transformación

Los centros de transformación se diseñan y construyen en base a unas características y factores determinados, siendo los siguientes:

1 Tensión máxima de servicio: la mayor tensión a la que el transformador es capaz de trabajar de forma permanente sin sufrir daños.

2 Tensión primaria: tensión a la cual se alimenta el transformador.

3 Tensión secundaria: tensión resultante del paso de la energía por el transformador.

4 Potencia nominal: potencia que puede suministrar el transformador al circuito secundario. La potencia nominal de un transformador se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

5 Temperatura máxima: nivel térmico que puede soportar el transformador en unas determinadas condiciones atmosféricas y de trabajo. Ejemplo: Para un transformador de servicio, se establece que la temperatura máxima que puede alcanzar el aceite es de 60 ºC, mientras que la temperatura máxima del ambiente no puede sobrepasar los 40 ºC.

6 Intensidad primaria: amperaje al que se encuentra sometido el devanado primario de la bobina del transformador. En el caso de estar trabajando el transformador a la potencia nominal, esta se denominará intensidad nominal primaria y puede calcularse mediante la expresión:

7 Intensidad secundaria: intensidad que recibe el devanado secundario de la bobina del transformador que alimenta al circuito secundario. La intensidad nominal puede calcularse mediante la ecuación:

8 Transformador trifásico: formado por un conjunto de tres transformadores monofásicos conectados entre sí en estrella, triángulo o zigzag.

9 Tensión de cortocircuito: tensión mínima de entrada en el circuito primario para que el transformador sea capaz de aportar la tensión nominal al circuito secundario, encontrándose este cortocircuitado. Este parámetro se expresa en tanto por ciento referente a la tensión nominal primaria.

Nota

Dentro del transformador, se encuentra el núcleo al cual se enrollan los devanados del circuito primario y secundario, tal como se muestra en la figura.

Por el circuito primario entra el flujo eléctrico con unas condiciones de tensión e intensidad determinadas que, a su paso por el núcleo, se transforma para salir a unas tensiones e intensidades previamente determinadas.

Aplicación práctica

Trabaja para una empresa que se dedica al montaje y ensamblado de componentes para celdas y cuadros de centros de transformación. Para la elección de uno de los componentes, necesita conocer la intensidad que circula por el dispositivo. Teniendo en cuenta que su montaje será en el circuito secundario y que dispone de los siguientes datos: Pot = 400 kW y Tensión = 320 V, calcule la intensidad circulante.

SOLUCIÓN

Puesto que se trata del circuito secundario, se empleará la siguiente fórmula:

De este modo, sustituyendo, se tendría:

3. Elementos que constituyen un centro de transformación de intemperie

Los centros de transformación de intemperie son aquellos que disponen el transformador en la parte alta de un apoyo metálico o de hormigón, estando tanto el transformador como toda la aparamenta al aire libre. La alimentación del transformador se realiza mediante la línea aérea que traza el propio apoyo.

Centro de transformación de intemperie

Los elementos que generalmente componen un centro de transformación de intemperie son:

1 Apoyo.

2 Herrajes y armado.

3 Transformador.

4 Aparamenta (fusibles, autoválvulas, etc.).

5 Cuadro de baja tensión.

6 Sistemas de puesta a tierra.

7 Protecciones de baja tensión.

8 Seccionadores.

En los siguientes epígrafes, se pasa a describir cada uno de los componentes y sus características.

Nota

Los centros de transformación de intemperie no deben superar una potencia de 160 kVA. Como norma, se emplea dicho límite, ya que hasta esa potencia se considera un transformador de uso particular.

4. Apoyos. Tipos y características

El apoyo es el elemento constructivo que tiene por misión trazar el conductor a una altura tal que permita salvaguardar la seguridad de las personas y la propia instalación contra posibles contactos.

Nota

En el caso de los centros de transformación de intemperie, este elemento estructural, además, soporta el transformador y toda la aparamenta necesaria.

Se pueden encontrar dos tipos de apoyos para transformadores de intemperie:

1 Apoyos metálicos.

2 Apoyos de hormigón.

En apoyos metálicos, el transformador se sujeta mediante una estructura a modo de balcón, mientras que, en apoyos de hormigón, al ser perfiles de menor dimensión, se opta por realizar el montaje del transformador colgado sobre un perfil horizontal, en cuyo caso el transformador deberá disponer de ganchos que permitan su fijación.

CT de intemperie en apoyo de hormigón

Según el Reglamento de líneas aéreas de alta tensión, las bornas de alta tensión del transformador deben quedar a una altura mínima del suelo de 6 m.

Siempre que un apoyo disponga de un centro de transformación de intemperie, deberá recubrirse alrededor de él con hormigón hasta una altura de 2,4 m respecto del suelo, con el objeto de reforzar estructuralmente el apoyo y aumentar la seguridad.

Recubrimiento de hormigón de un apoyo para CT de intemperie

Como se puede observar, dicho recubrimiento se pude emplear para fijar otros elementos necesarios, tales como el cuadro de baja tensión. Además, en la base del apoyo, se ejecutará un dado de hormigón a modo de acerado de 1,3 m respecto del recubrimiento, albergando en su interior el mallado al que se conectará la toma de tierra de la instalación.

Recuerde

Todos los apoyos que soporten un CT de intemperie deben ser recubiertos por hormigón hasta una altura de 2,4 m y en su base se establecerá un acerado de 1,3 m respecto de los mismos.

5. Transformador. Tipos y características

Los transformadores tienen por misión variar la tensión de entrada de un circuito para verter la energía en otro a una tensión mayor o menor que la original, según sea un centro de transformación elevador (situado en instalaciones generadoras de energía) o reductor (ubicado en zonas de distribución). El transformador es, por tanto, el elemento principal del centro de transformación.

Transformador de 20 kV

Como ya se ha estudiado anteriormente, los transformadores que se ubican en apoyos de intemperie suelen tener funciones de reducción de potencia, para distribuir la tensión previamente a inyectarse la energía en la red de distribución. Generalmente, esta clase de transformadores recibe la energía a una tensión de 20 kV en media tensión y la reducen hasta el lado de baja a una tensión de 127/220 V, lo que se conoce por transformador B1. En aquellos casos en donde la tensión se recibe en 13,2 kV y su salida es de 220/380 V, se denomina transformador B2.

También existen transformadores denominados B1-B2, que permiten una doble salida en baja tensión. De igual manera, los transformadores se fabrican con doble tensión de entrada en alta, que puede ser cambiada mediante un conmutador de una tensión de 13,2 kV a 20 kV.

5.1. Tipos y características

Existen transformadores trifásicos y monofásicos, siendo en la actualidad los más empleados los trifásicos.

Los transformadores trifásicos están formados por tres bobinas arrolladas a un núcleo. Este núcleo presenta por un lado un arrollamiento de la parte de alta tensión y otro procedente de la línea de baja.

Nota

El material del conductor que se arrolla en la bobina suele ser cobre, aunque también puede emplearse aluminio.

Dependiendo del tipo de refrigeración en el que se encuentran las bobinas, se pueden distinguir dos tipos de transformadores:

1 Transformadores secos: aquellos que no disponen de ningún sistema de refrigeración más que el aire circulante.

2 Transformadores refrigerados: en este caso, las bobinas se encuentran sumergidas en un líquido refrigerante que permite una mayor evacuación del calor generado.

Los transformadores más empleados son aquellos que utilizan como refrigerante el aceite, ya que es capaz de soportar las altas temperaturas que genera el paso de la corriente al atravesar las bobinas. Para mejorar el intercambio de calor entre el líquido refrigerante y la carcasa del transformador, la cuba que lo contiene está provista de una serie de aletas a modo de radiadores, que facilitan el intercambio de calor con el aire exterior. La cuba se encuentra cerrada herméticamente mediante una tapa superior correctamente atornillada.

La conexión que se produce entre las tres bobinas se denomina grupo de conexión y se puede ejecutar de diversas formas, pero esto siempre ha de estar recogido en la placa de características del transformador. Puesto que la tensión que ha de soportar un transformador puede variar según su localización en una línea o red, la parte de alta de las bobinas dispone de varias tomas, que permiten la adaptación de la tensión para realizar una transformación de manera óptima. En transformadores de pequeña potencia, la regulación se efectúa de forma manual mediante un conmutador, mientras que, en transformadores de gran potencia, dicha regulación se efectúa de manera automática, mediante el sistema Jansen, que consiste en obtener la misma tensión de salida con independencia de la tensión de entrada.

Finalmente, los terminales del transformador permiten el conexionado de las bobinas con los distintos conductores encargados del transporte de la energía eléctrica. Los terminales están compuestos de una varilla metálica rodeada de aislante, en cuyo extremo se dispone de una rosca para facilitar su fijación con los conductores.

Terminales

Sabía que...

Los terminales de alta y baja tensión de un transformador pueden distinguirse fácilmente, ya que las distancias de seguridad que han de respetarse para los terminales de alta tensión son mayores que para los de baja.

En aquellos transformadores que dispongan de doble salida en baja tensión, se encontrarán siete terminales o bornas en el transformador, tres para la entrada en alta tensión y seis para la salida en baja tensión (correspondiente a los dos circuitos trifásicos de salida) más el neutro.

5.2. Componentes adicionales de un transformador

Además de los elementos ya descritos, un transformador puede incorporar una serie de elementos y/o dispositivos que se pasan a estudiar a continuación.

Relé Buchholz

Este dispositivo se coloca en transformadores que poseen depósito auxiliar para el almacenaje de líquido refrigerante, ubicándose el relé en la tubería que va desde el depósito hasta la cuba. El objetivo de dicho relé es detectar la presencia de posibles gases que pueda generar la combustión del refrigerante al producirse un sobrecalentamiento de las bobinas producido por cortocircuitos.

Relé Buchholz

Termómetro

Generalmente, se emplea un termómetro de esfera, que indica la temperatura a la que se encuentra el transformador y que puede disparar la alarma en caso de superar ciertos valores de seguridad.

Válvula de sobrepresión

Esta válvula se activa para dejar escapar los gases producidos por un exceso de presión en el interior del transformador fruto de un sobrecalentamiento del refrigerante.

Sabía que...

Las potencias normalizadas para los transformadores en España son de: 25, 50, 100, 160, 250, 400, 630, 1.000, 1.600 y 2.500 kVA.

Aplicación práctica

La empresa en la que trabaja ha recibido el encargo de realizar una instalación para la distribución de energía hacia una finca un tanto alejada del núcleo urbano. El transformador que será de uso particular recibe la energía en media tensión a 13,2 kV. Como técnico en diseño de instalaciones, explique a su supervisor las razones del tipo de transformador escogido y los dispositivos de los que va a dotarlo.

SOLUCIÓN

Al tratarse de un transformador para la distribución de un solo particular y puesto que la tensión de entrada al transformador es pequeña, se empleará un transformador de intemperie colocado en un apoyo de tipo B2, cuya salida se realiza a una tensión comprendida entre 220/380 V. Al ser un transformador de pequeña potencia, la regulación de la tensión se efectúa de forma manual mediante un conmutador.

Por otra parte, no se dotará al transformador de ningún dispositivo adicional, tal como relé Buchholz o una válvula de sobrepresión, ya que, al presentar tensiones tan pequeñas, el transformador no sufrirá grandes temperaturas y, por tanto, no será necesario. Además, estos dispositivos harían encarecer la instalación.

6. Herrajes, tirantes

Los herrajes son todas aquellas piezas metálicas que pueden encontrarse en un apoyo que contiene un centro de transformación, cuya misión es realizar tareas puramente estructurales de sujeción y fijación de todos los componentes sin intervenir en la conducción de la corriente eléctrica. La fijación de elementos tales como los seccionadores, las autoválvulas, los aisladores e incluso el propio conductor aéreo requiere de herrajes tales como horquillas, grapas de amarre y suspensión, rótulas o grilletes.

Nota

La propia tornillería empleada en la fijación de los distintos elementos forma parte de los herrajes de la instalación.

El dimensionado de los herrajes debe ser suficiente para ser capaz de soportar los esfuerzos mecánicos a los que se encuentran sometidos durante la vida útil de la instalación.

Importante

Los herrajes deben ser de un material que no genere corrosiones electrolíticas al existir una diferencia de potencial eléctrico entre sus partes y, además, deben presentar una gran resistencia a la corrosión frente a los posibles agentes climatológicos expuestos.

En apoyos con transformadores de intemperie, se emplean aisladores con grapas de amarre para fijar el conductor a la testa del apoyo, para después trazar un puente conductor que llegue hasta las bornas de entrada del transformador.

Nota

Los cables de acero atirantados permiten estabilizar el apoyo frente a la acción del viento, con lo que evitan que el transformador se encuentre sometido a movimientos indeseados que puedan provocar su caída o la de parte de sus componentes.