Guía de transformadores de distribución trifásicos: tipos, pérdidas y selección

Un transformador de distribución trifásico de 630 kVA con una pérdida sin carga de 1,2 kW consume alrededor de 10.500 kWh por año antes de que se conecte una sola carga. A 0,10 dólares por kWh, se gastan más de 1.000 dólares al año en mantener el núcleo magnetizado. Para ingenieros de distribución, equipos de adquisiciones y gerentes de planta, el transformador de distribución trifásico Es donde las pequeñas decisiones sobre especificaciones se convierten en grandes costos operativos. Transformador Co., Ltd. de Jiangsu Hengyuan , un fabricante de transformadores y aparamenta para redes de 6-35 kV, fabrica unidades sumergidas en aceite y de tipo seco con núcleos de aleación amorfa y acero al silicio.

Qué hace realmente un transformador de distribución trifásico

Un transformador de distribución trifásico es un dispositivo electromagnético estático que reduce el voltaje medio, generalmente de 6 kV a 35 kV, a un nivel de 400/230 V para clientes industriales, comerciales y residenciales.

La unidad coloca tres devanados primarios y tres devanados secundarios en un núcleo común de tres ramas. El flujo alterno del primario induce voltaje en el secundario a la misma frecuencia, por lo que la unidad intercambia voltaje por corriente de acuerdo con la relación de vueltas. El grupo vectorial Dyn11 es estándar: el lado de alta tensión está conectado en triángulo y el lado de baja tensión está conectado en estrella con el neutro sacado para cargas monofásicas de 230 V y conexión a tierra.

• Clasificaciones primarias que dominan los proyectos prácticos: clases de 6 kV, 10 kV, 20 kV y 35 kV
• Entrega secundaria: trifásica 400 V más neutro sólidamente puesto a tierra
• Rango de clasificación de distribución común: 50 kVA a 2500 kVA
• Eficiencia a plena carga superior al 98 por ciento, con las pérdidas restantes divididas entre el núcleo y los devanados.

Inmerso en aceite o tipo seco: la primera rama en la selección de transformadores de distribución trifásicos

Elija un transformador sumergido en aceite cuando la unidad se ubicará al aire libre o en una subestación dedicada; Elija el tipo seco sólo cuando la instalación sea en interiores y las normas de seguridad contra incendios, carga del piso o ambientales descarten el uso de aceite.

Las unidades llenas de aceite utilizan aceite mineral o éster sintético para aislamiento y refrigeración. El aceite transporta el calor a la pared del tanque, donde las aletas o radiadores lo disipan según la clase de refrigeración ONAN. Los transformadores de distribución trifásicos sumergidos en aceite de la clase 6-35 kV cubren aproximadamente de 30 kVA a 2500 kVA y dominan las redes de servicios públicos porque son robustos y los más baratos por kVA. La compensación es la contención: la plataforma necesita un pozo o un dique de recolección de aceite.

Las unidades de tipo seco reemplazan el aceite con resina fundida o aislamiento de aire. Se especifican dentro de edificios comerciales, túneles y estructuras marinas donde un líquido inflamable es inaceptable. Los transformadores de tipo seco soportan una carga de fuego menor y casi no necesitan mantenimiento de fluidos, pero cuestan más por kVA y su capacidad térmica es más sensible a la temperatura ambiente. Para tareas de distribución al aire libre, el baño en aceite sigue siendo la primera consideración correcta.

Transformador seco trifásico con núcleo de acero al silicio Este transformador de distribución de tipo seco moldeado con epoxi se adapta a lugares interiores y de alta seguridad donde está prohibido el uso de aceite, y ofrece una construcción retardante de llama y bajo mantenimiento para aplicaciones comerciales, de túneles y marinas. Ver producto →

Núcleo de aleación amorfa o acero al silicio: donde se gana o se pierde la pérdida de hierro

Los núcleos de aleación amorfa reducen la pérdida sin carga entre un 70 y un 80 por ciento en comparación con el acero al silicio de grano orientado, y ningún otro cambio de especificación en un transformador de distribución trifásico produce una reducción tan grande en el costo de funcionamiento de su vida útil.

La pérdida sin carga, también llamada pérdida de hierro, es absorbida por el núcleo cada vez que se energiza el transformador, independientemente de la carga. Consiste en pérdida por histéresis y pérdida por corrientes parásitas. El metal amorfo es una aleación ferromagnética que se suministra en forma de cinta de aproximadamente 25 a 30 micrones de espesor, aproximadamente una décima parte del espesor del acero al silicio de grano orientado. La delgada cinta y la baja coercitividad reducen ambos componentes de la pérdida, por lo que un núcleo amorfo consume aproximadamente una cuarta parte de la energía de excitación de un núcleo de acero al silicio al mismo kVA.

La compensación es comercial, no eléctrica. Los núcleos amorfos cuestan más de construir y una menor inducción de saturación significa una sección transversal del núcleo ligeramente mayor. Los transformadores de distribución permanecen energizados continuamente pero cargan solo entre un 30 y un 60 por ciento en promedio, por lo que las pérdidas sin carga dominan las pérdidas totales. El ahorro de 0,85 kW en una unidad de 630 kVA amortiza la prima en un plazo de tres a cinco años y luego sigue ahorrando durante el resto de su vida útil de 20 años. Para las empresas de servicios públicos con cientos de unidades, las flotas amorfas son una de las formas más directas de reducir las pérdidas en la red de distribución.

Transformador sumergido en aceite con núcleo de aleación amorfa Con pérdidas sin carga ultrabajas de la cinta amorfa y reducción de ruido avanzada, esta unidad sumergida en aceite ofrece importantes ahorros de energía durante su vida útil, lo que la hace ideal para empresas de servicios públicos que buscan reducir las pérdidas en la red de distribución. Ver producto →

Los dos números de pérdidas que deciden el costo operativo

La pérdida sin carga y la pérdida de carga determinan el costo operativo de un transformador de distribución trifásico; el precio de compra es el componente más pequeño del costo de propiedad a 20 años, no el más grande.

La pérdida de carga es la pérdida de cobre del devanado a la corriente nominal y aumenta con el cuadrado de la carga. La pérdida sin carga se produce de forma continua, por lo que domina la factura en condiciones de utilización baja y media, exactamente donde operan la mayoría de los transformadores de distribución. Las cifras siguientes son típicas para la clase de 6 a 35 kV con niveles de pérdida estándar.

El costo total de propiedad es TOC = precio A x pérdida sin carga B x pérdida con carga, donde A capitaliza un kilovatio de pérdida de hierro en la tarifa de energía durante la vida del proyecto y B capitaliza un kilovatio de pérdida de cobre, incluidos los cargos por demanda. Las licitaciones de servicios públicos publican factores de capitalización de pérdidas en el documento de licitación; los compradores que las ignoran siguen pagando el precio de pérdida correcto, sólo a la compañía eléctrica en lugar de al proveedor de transformadores.

Transformador sumergido en aceite con núcleo de tira de acero al silicio Con acero al silicio de alto rendimiento y una estructura completamente sellada, este transformador sumergido en aceite reduce las pérdidas y el mantenimiento al tiempo que ofrece una sólida resistencia a los cortocircuitos, adecuada para tareas de distribución confiables. Ver producto →

De la especificación a la instalación: adaptación de la unidad a la carga real

La clasificación correcta es el kVA estándar más pequeño que soporta la carga máxima esperada dentro de los límites de temperatura del devanado y deja un margen definido para el crecimiento; el sobredimensionamiento desperdicia dinero y el subdimensionamiento acorta la vida útil del transformador.

1. Confirme los voltajes primario y secundario. Registre la tensión del alimentador, por ejemplo 10 kV o 35 kV, y la tensión de entrega de 400/230 V con neutro.
2. Calcule la demanda máxima. Sume las cargas conectadas y aplique un factor de diversidad realista en lugar de sumar las clasificaciones de la placa de identificación.
3. Agregue margen de crecimiento de carga. La práctica común es entre un 15 y un 25 por ciento superior al pronóstico máximo de cinco años.
4. Establezca la impedancia según las reglas de la red. La impedancia estándar para unidades de distribución de 10 kV es aproximadamente del 4 por ciento.
5. Compare las clases de pérdidas con la fórmula de capitalización de pérdidas de servicios públicos. Especifique un núcleo amorfo cuando la recuperación sea inferior a cinco años.
6. Seleccione la disposición mecánica: montaje en poste, montaje en plataforma o una subestación compacta que integra un transformador, una unidad principal en anillo y un tablero de baja tensión.

Para la expansión de la red rural y las plantas industriales, un paquete de subestación compacto reduce el tiempo de instalación en el sitio: el transformador llega con la unidad principal en anillo de alta tensión y el tablero de baja tensión ya conectados y probados en fábrica.

Preguntas frecuentes sobre transformadores de distribución trifásicos

¿En qué se diferencia un transformador de distribución trifásico de un transformador monofásico?

Un transformador monofásico tiene un devanado primario y un devanado secundario y entrega energía monofásica de 230 V. Un transformador de distribución trifásico tiene tres devanados primarios y tres secundarios en un núcleo común y entrega energía trifásica de 400 V más un neutro. Para los mismos kVA, la unidad trifásica es más ligera, más eficiente y utiliza menos material conductor.

¿Pueden tres transformadores monofásicos reemplazar a un transformador de distribución trifásico?

Sí, y algunos sistemas norteamericanos todavía utilizan un banco de transformadores de tres unidades monofásicas para crear un suministro trifásico. El banco es más grande, más pesado y más costoso de montar y mantener que una unidad trifásica del mismo kVA total, por lo que se elige principalmente cuando la carga crecerá en etapas monofásicas. Para instalaciones nuevas, un único transformador de distribución trifásico es casi siempre la opción más económica.

¿Por qué Dyn11 es la conexión más común para transformadores de distribución trifásicos?

Dyn11 significa que los devanados de AT están conectados en triángulo, los devanados de BT están conectados en estrella y el voltaje de BT está retrasado en 30 grados, la posición de las 11 en punto. El primario en triángulo mantiene un camino para los armónicos triples y mejora el comportamiento de carga desequilibrada, mientras que el secundario en estrella proporciona un neutro para cargas monofásicas de 230 V y conexión a tierra.

¿Cuánto puede ahorrar un núcleo amorfo en dinero real?

En una unidad de 630 kVA, pasar de un núcleo de acero al silicio de 1,2 kW a un núcleo amorfo de 0,35 kW ahorra aproximadamente 0,85 kW de forma continua. Con 8.760 horas al año y 0,10 USD por kWh, esto equivale aproximadamente a 745 USD por transformador al año. Una flota de 100 unidades ahorra alrededor de 74.500 dólares al año, razón por la cual los operadores de red evalúan los núcleos amorfos con fórmulas de pérdidas en lugar de con el primer precio.