Universidad Veracruzana Ingeniería Mecánica Eléctrica

Transformador 45 KVA

13,800/220-127v

Presenta

Mendoza Chávez Giovanni

Exp. Educativa Transformadores y Subestaciones

Catedrático Grajeda Hernández Rafael

Veracruz, Ver. a 15 de Mayo del 2012

INTRODUCCIÓN E l calculo o diseño de transformadores se puede decir que es un aspecto suficientemente tratado, en el que intervienen algunas variantes dependiendo del tipo de transformador y de los materiales empleados, en la actualidad los fabricantes de transformadores a gran escala, disponen por lo general de programas para computadora para diseño y de laboratorios apropiados de prueba y desarrollo. No obstante los conceptos básicos del cálculo de transformadores se deben conocer por las personas relacionadas con las maquinas eléctricas, ya que esto no solo permite una mejor compresión de su funcionamiento, sino también se está en posibilidad de entender mejor las posibles fallas que tienen y su reparación. TRANSFORMADOR 45KVA Características Principales del Transformador Trifásico

Potencia Nominal 45KVA Frecuencia 60Hz Tensión Nominal Primaria 13,800v Regulación de ±5% Tensión Nominal Secundaria 220v - 127v Conexión del devanado Primario Delta Conexión del devanado Secundario Estrella con Neutro Aterrizado CALCULO DEL TRANSFORMADOR A 45KVA Determinación de los valores de tenciones y corrientes Tensión en el primario Vp fase = 13,800v Tensión en el secundario

Vs fase = 220 / √3 = 127v Corriente en el primario Ip fase = 45,000VA / 13,800v * 3 = 1.086 A Corriente en el secundario

Is fase = 45,000VA / 220 * √3 = 1183094 A Flujo por columna y sección de la columna

ɸM = 10-2 C √𝑃n

La constante C para el cálculo del flujo para Transformadores trifásicos tipo columnas. C = = 0.16

ɸM = 10-2 * 0.16 √45KVA = 0.010733 Weber La sección de la columna, si se selecciona de la tabla de densidad de flujo de valor. Bm = 1.30 weber / m2

Sn = ɸM / Bm = 0.010733 / 1.25 = 0.008586 m2 Considerando el factor de empaquetamiento de 0.9, la sección geométrica de la columna es: Factor de empaquetamiento para laminaciones aisladas en barniz = 0.92 Sg = 0.008586 / 0.92 = 0.00933 m2 El diámetro correspondiente es:

d = (0.00933 ∗ 4)/3.1416 = 0.109 m = 10.9 cm

a = 0.85d = 0.85 * 10.9 cm = 9.265 cm a1 = 0.526d = 0.526 * 10.9 cm = 5.733 cm Sección de los Yugos Comúnmente tal sección se hace tanto mayor como se pueda de aquella de la columna. Si se considera una amplificación del 20% y considerando un coeficiente de empacamiento igual al usado para la columna se tiene: Sy = 1.2 * 0.00933 m2 = 0.011196 m2 = 111.96 cm2 Tal sección será rectangular y su ancho similar a aquel de las columnas, es decir: Sy / a = 111.96 cm2 / 9.265 cm = 12.084 cm

a a1

Altura de la columna y ancho de la ventana Tomando en consideración las relaciones de la figura siguiente como medida de orientación: h/a = 3 » h = 3 * 9.265 cm = 27.7985 cm d/a = 1.5 » d = 1.5* 9.265 cm = 13.8975 cm c/a = 4 » c = 4 * 9.265 cm = 37.06 cm En forma similar, si se selecciona el ancho de la ventana alrededor de b = 1.5 * 9.265 cm = 13.8975 cm g = 1.2 a = 1.2 * 9.265 cm = 11.118 cm Numero de espiras Devanado Primario en Delta E= 4.44 ɸM Np f Donde: f = 60hz , E = 13,800v , ɸM = 0.010733 weber Np = 13,800 / (4.44 * 0.010733 * 60) = 4,826.40 » 4,827 espiras 13,800 / 4827 = 2.85 volts / espira (Aceptable dentro de los límites establecidos) Devanado Secundario en Y

Vs = 220 / √3 = 127 v Ns = 127 / (4.44 * 0.010733 * 60) = 44.42 » 45 espiras Valores de las corrientes y sección de los conductores primario y secundario Ip fase = 45,000v / 13,800 * 3 = 1.086 A

Is fase = 45,000v / 220 * √3 = 118.094 A Densidad de corriente en Transformador enfriado por Aceite con enfriamiento natural = 2.8 A/mm2 Secciones para los devanados Para el primario 1.086 A / 2.8 A /mm2 = 0.3879 mm2

Para el secundario 118.094 A / 2.8 A / mm2 = 42.176 mm2

Ampere – Espira / cm y verificación de la altura de la columna Ampere por Espira de una columna es: 1.086 * 4,827 = 5,242.122 A-Espira Y la relación con respecto a la altura de la columna que ya se ha fijado es: 5,242.122 / 27.7985 = 188.57 Ampere – Espira/cm Dimensión de los devanados Alto voltaje Se requiere establecer ahora la altura de la bobina de alta tensión. hAT = 3 * 12.8 = 38.4 cm El devanado de alto voltaje tiene un conductor de calibre No. 21 AWG, con diámetro de 0.7229mm. Considerando la regulación de voltaje (TAPS) que se necesitaran para el ±5% de las espiras a tensión nominal se tienen que el número adicional de espiras es: (5 * 4,827) / 100 = 241.35 » 242 Espiras El devanado primario tiene: 242 + 4,827 = 5,069 Se tienen 5 capas de 242 espiras con aislamiento de barniz. Las capas tienen una longitud axial de: 242 * 1.05 * 1.2 = 304.92mm Devanando las espiras restantes: 5,069 – (5 * 242) = 3,859 espiras La longitud axial resulta: H = 242*1.05 = 254.1 mm

Espesor radial: 5 * 1.2 + 20 + (16 + 5 -1) * 0.2 = 30mm Bajo Voltaje Las dimensiones axiales de la bobina de baja tensión serán de hecho iguales a las de la bobina de alta tensión. La sección del conductor se determino que era de 42.176 mm2 con una sección rectangular de 10 x 40.32 mm. El devanado, dispondrá de 2 capas, cada una de 45/2 => 23 espiras, las dimensiones axiales del conductor rectangular considerando su devanado helicoidal, ocupan mayor espacio, por lo que se puede tomar un coeficiente de devanado de 1.04. Hc / (No. Espiras/capa * 1.04) = 254.1 mm / 23*1.04 = 10.62 mm La dimensión desnuda es de: 10.62 – 0.4 = 10.22 mm De la sección del conductor se obtiene las otras dimensiones: 42.176 mm2 / 10.22 mm = 4.126 mm Estas son las dimensiones reales para el conductor rectangular. 46 Espiras en 2 capas de 23 espiras cada una, con un conductor rectangular de 10.62 x 4.12 cm aislado dispuesto en “Canto” con la parte más amplia en sentido del devanado. Con una dimensión axial de 254.1 mm. La dimensión radial con 0.5mm de intervalo es: 2 * 10.62 + 0.5 = 21.74 mm » 22 mm Dimensiones del Núcleo Diámetro Medio Radio del Núcleo 108 mm / 2 = 54 mm + Ducto de aceite 2 mm + Devanado de baja tensión 22 mm + Ductos de aceite 3 mm + Cilindros de cartón baquelizado 3 mm + Ductos de aceite 3 mm + Devanado de alta tensión 30 mm X Radio externo del devanado de alta tensión 2 234 mm Diámetro externo del devanado de

alta tensión.

La distancia entre las fases se puede tomar de cómo 12mm.

La altura del núcleo 254.1 mm + 2 * 36 = 326.1 mm

Peso del Núcleo El peso de las laminaciones se puede obtener en base a las dimensiones principales: altura de la columna, distancia entre ejes, diámetro, secciones de la columna y del yugo con algunas imprecisiones en las zonas de intersección. Considerando que el núcleo se hace de laminación de cristales orientados se tiene: Gfe = ( 3Hc + 4b + 2.05 d )* Sc * 7.65 * 10-4 Hc = 254.1 mm 7.65 * 10-4 --> La constante que representa el peso especifico de la laminación. b = 138.975 mm d = 138.975 mm Sc = 111.96 cm2 Gfe = (3*254.1 + 4*138.975 + 2.05*138.975) * 11.96 * 7.65 * 10-4 Gfe = 794.91 Kg Perdidas al Vacio Si se usa una laminación de cristal orientado a 60 Hz, con una densidad de 1.2 Telsa y 0.35mm de espesor, se tienen 1.0 Watts/Kg de manera que: Po= Gfe * p = 794.91 * 1.0 = 794.91 Watts

Peso de los devanados El cálculo del peso y de las perdidas en los devanados se determina en las dimensiones geométricas de los mismos. Si se considera que los devanados son de cobre, que tiene un peso específico de 8.9 Kg/dm3 es peso se determina como: Gcu = Dm*Sc*3*8.9*10-6

Dm = Diámetro medio Sc = Sección del conductor en mm2 N = Numero de espiras totales en el devanado Dm = 2 (Diámetro del núcleo + Ducto de aceite) + Devanado de baja tensión Dm = 2 (108mm + 2) + 22mm = 242 mm Gcu = π * 242 *22*45* 3 * 8.9 * 10-6 = 20.096 Kg Para el devanado de alta tensión el conductor No. 20 AWG y un total de Np= 4,827 espiras El peso de este devanado es: Gcuat = π * 182 * 0.4 * 4827 * 3 * 8.9 * 10-6 = 29.476 Kg Aceites de transformador Un aceite mineral de transformador se compone principalmente de carbono e hidrógeno en moléculas que presentan diferentes estructuras. Los aceites parafínicos están formados por moléculas que pueden ser tanto de cadena lineal como ramificada. Los alcanos normales de tipo cadena lineal son conocidos como parafinas, si son enfriados se impide su libre flujo y se deben tomar precauciones para utilizarlos en un clima frío. Los aceites nafténicos también conocidos como cicloalcanos están formados por moléculas con una estructura anular, presentan excelentes características a bajas temperaturas. Todos los aceites de transformador contienen moléculas aromáticas con una estructura molecular totalmente distinta de las moléculas parafínicas y nafténicas, tanto química como físicamente. La oxidación se ve influenciada por dos parámetros principales: oxígeno y temperatura. Es de notar que todos los aceites contienen una pequeña cantidad de aire, incluso después de la desgasificación (entre un 0.05 y un 0.25% de oxígeno por volumen). El calor acelera este deterioro.

Los procesos de oxidación se producen por actividad de descargas parciales en micro burbujas, las que generan ozono, elemento especialmente activo en los procesos de oxidación. El proceso de oxidación se inhibe con aditivos denominados antioxidantes. Existen dos tipos de aceites en el mercado, inhibidos y no inhibidos. De hecho, todos los aceites son inhibidos, los inhibidos por la adición de fenol retardado (destrucción radical), y los no inhibidos con inhibidores naturales (destrucción por peróxido). La actividad de los antioxidantes dura un tiempo definido, llamado período de inducción, durante el cual previenen la formación de peróxidos con radicales libres. Manipulación y almacenamiento Sin pretender profundizar sobre este importante tema, es esencial destacar que durante el almacenamiento y manipulación pueden verse modificadas ciertas propiedades cruciales para las prestaciones del aceite. Debido a su fácil contaminación, es necesario evitar riesgos tomando precauciones en lo relativo al proceso de manipulación, para lo cual el personal debe estar debidamente capacitado. El agua es el contaminante más usual en los aceites de transformador durante la manipulación y almacenamiento. Las partículas interactúan con el agua, reduciendo la tensión de ruptura eléctrica, son extraídas al filtrarlas a través de filtros de partículas, los cuales forman parte de los filtros de desgasificación. Cuando se carguen aceites de transformador para su suministro a clientes finales, se deberá utilizar un filtro de 5 micrómetros o inferior. Durante el transporte, manipulación o llenado del transformador pueden entrar en el aceite pequeñas cantidades de contaminantes químicos, provenientes de otros productos que hayan sido tratados con el mismo equipo. Viscosidad del Aceite La viscosidad de un aceite es importante para la refrigeración del transformador; cuanto más baja es la viscosidad, mejor es la refrigeración. Las propiedades a baja temperatura son importantes en climas fríos, por lo que las especificaciones para estos casos, incorporan tanto el punto de fluidez como la viscosidad. En algunos países, entre ellos Suecia y Canadá, es objeto de debate la conveniencia de extender los requisitos, es decir, de especificar que el punto de turbiedad debiera ser igual o inferior al punto de fluidez para temperaturas de -40ºC o más bajas aún. El modelo térmico adoptado por ANSI C57.92 "Guía de carga para transformadores de potencia inmersos en aceite mineral", difiere del modelo adoptado por IREQ que incluye las variaciones de la viscosidad para temperaturas tan bajas como -40ºC y las variaciones de la carga térmica como resultado del cambio de resistividad del cobre y de las pérdidas adicionales en los devanados.

La guía de carga IEEE C57.92 presenta tablas indicando el acortamiento de vida del transformador, que están limitadas intencionalmente para una temperatura ambiente de 0ºC, por las razones antes indicadas, es decir, variación de la viscosidad y resistividad. Elección del Aceite El costo de un transformador es elevado, la supervisión de su funcionamiento a través del aceite resulta económico en comparación con los costos que ocasiona una avería y los provocados por la interrupción del suministro eléctrico. Esto es válido para transformadores de potencia, para los transformadores de distribución se debe analizar en cada casa la probabilidad de "que sucedería sí...". Por lo tanto para la elección de un aceite debe asegurar una larga vida en servicio, que las propiedades del aceite sean las requeridas por el equipo, teniendo en cuenta la tensión de servicio, tipo de carga, condiciones climáticas, etc. Se debe destacar que el aceite de un transformador contiene información acerca del estado del mismo. Haciendo controles y análisis del aceite se pueden obtener oportunas indicaciones del estado de degradación del papel, presencia de puntos calientes, fallas eléctricas, etc. Aceite para transformador tipo I Características Este aceite se elabora a partir de bases nafténicas por destilación al vacío y sometido a un proceso de refinación por sulfonación, neutralización, extracción, absorción, filtración y secado al vacío, al que se le adiciona un aditivo especial antioxidante que lo hace tener la calidad de aceite inhibido. Cualidades

Alta resistencia dieléctrica

Baja viscosidad, que permite que fluya con facilidad.

Resistencia a la oxidación y a la formación de lodos.

Alto punto de chispa.

Bajo punto de fluidez, que permite buen desempeño a bajas temperaturas.

No contiene ácidos, álcalis y azufre, lo cual ayuda a su buen poder aislante y alta estabilidad.

Cualidades de protección de las partes internas del transformador.

Cumple con las normas ASTMD -3487.

Recomendaciones Manténgase fuera del alcance de los niños.

Evite el contacto prolongado con la piel.

En caso de contacto lave con abundante agua y jabón.

No vierta aceite usado en las alcantarillas. Tabla de Características

Tipo de Enfriamiento OA Sumergido en aceite, con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento más comúnmente usado y el que frecuentemente resulta el más económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones. En estos transformadores, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque con paredes lisas, corrugadas o bien previstos de enfriadores tubulares o radiadores separables. Diagramas del Transformador A = 1110 mm B = 1060 mm C = 630 mm Aceite = 122 Lts Z = 4% Perdidas Po = 724.91 Watts Montaje: En 1 poste Líquido aislante es un aceite mineral, el cual cumple con norma ASTM 3487 tipo I. El tratamiento de pintura es de base anticorrosivo y pintura de terminación con base fenolica.