En los sistemas eléctricos modernos, los cambiadores de tomas de transformadores son fundamentales para mantener la estabilidad de la tensión en las redes de distribución, garantizar la fiabilidad y proteger los equipos. Son dispositivos indispensables para la regulación de la tensión y la estabilidad de la red.
Introducción y Conceptos Fundamentales
Un cambiador de tomas de transformador es un mecanismo que permite la conexión a diferentes puntos de los devanados de un transformador, modificando así la toma del mismo. Este ajuste es esencial tanto en transformadores de potencia de alta tensión como en transformadores de distribución para mantener la tensión dentro de los límites especificados.
La función principal de un transformador es cambiar el nivel de voltaje de una fuente de alimentación eléctrica. La relación de vueltas de un transformador está determinada por el número de vueltas en los devanados primario y secundario. Al cambiar esta relación, se puede ajustar el voltaje de salida. Esta regulación de tensión se consigue instalando los taps, o tomas, en uno de los dos devanados del transformador. Gracias a las tomas se cambia el número de espiras y, de este modo, se puede variar la tensión.
Por lo general, el cambiador de tomas se instala en el lado donde la tensión es más alta, pues ahí la corriente es menor y, por ende, la instalación es menos costosa.
Tipos de Cambiadores de Tomas
Existen dos tipos principales de cambiadores de tomas, diferenciados por el momento en que pueden realizar el ajuste de tensión:
Cambiador de Tomas Sin Carga (NLTC / DETC)
El cambiador de tomas sin carga, conocido por sus siglas NLTC (del inglés No-Load Tap Changer), OCTC (Off-Circuit Tap Changer) o DETC (De-Energized Tap Changer), ajusta la toma del transformador solo cuando este se encuentra fuera de línea. Este tipo de cambiador de tomas requiere de la desenergización del transformador para su uso. Por ello, se utiliza en aquellos casos donde no se precisa de un cambio frecuente en la relación de transformación. En estos escenarios, la desenergización del transformador no supone un problema ni un alto coste.
En los transformadores de baja tensión, el cambiador de tomas sin carga se utiliza de forma frecuente, ya que solo supone un cambio de terminal a mano. Para instalar un cambiador de tomas sin carga, se tiende a fijar la tensión del transformador en el momento de la instalación y se modifica una o dos veces a lo largo de la vida útil del transformador, por ejemplo, en caso de una modificación permanente de la tensión de la red.
Cambiador de Tomas Bajo Carga (OLTC)
El cambiador de tomas bajo carga, o OLTC (del inglés On-Load Tap Changer), puede ajustar la toma del transformador en condiciones de carga, sin interrumpir el suministro eléctrico. Este tipo de cambiador de tomas se usa cuando la interrupción del suministro de energía no es aceptable. Si hablamos de la versión mecánica, la nueva conexión se realiza antes de desconectar la antigua, para lo cual se utiliza una impedancia de gran valor en serie con las espiras cortocircuitadas.
El Transformador Seco: Definición y Ventajas
¿Qué es un Transformador Seco?
Un transformador de tipo seco, como su nombre lo indica, utiliza un sistema de aislamiento seco en lugar de aislamiento líquido (como el aceite). Esto le confiere una serie de características y ventajas particulares.
Los transformadores secos de la serie SC(ZB)口, por ejemplo, se aplican a sistemas de energía trifásicos, 50 Hz y 35 kV o menos. Son equipos principales en subestaciones transformadoras de tamaño mediano y pequeño, suministrando distribución de energía, energía e iluminación para la industria y la agricultura. Estos productos incorporan técnicas avanzadas y materiales optimizados para lograr una estructura más razonable y mejorar significativamente la resistencia eléctrica, mecánica y la capacidad de disipación de calor. Cumplen con estándares como IEC726.
Características de los Transformadores Secos (Serie SC(ZB)口)
- Bajas pérdidas: Buen efecto de ahorro de energía y funcionamiento económico.
- Seguridad: Retardante de llama, ignífugo, a prueba de explosiones y no contaminante.
- Resistencia ambiental: Buena resistencia a la humedad y fuerte disipación de calor.
- Fiabilidad: Alta resistencia mecánica, pequeñas descargas parciales y alta confiabilidad.
- Durabilidad: Resistencia a cortocircuitos, alto nivel de impacto de rayos y gran capacidad de sobrecarga.
- Facilidad de instalación: Tamaño pequeño, peso ligero, tamaño reducido e instalación cómoda. Puede instalarse directamente en el centro de carga.
La Crucialidad del OLTC en Transformadores Secos
El cambio de tomas bajo carga (OLTC) de un transformador de tipo seco es una tecnología crucial que mejora significativamente el rendimiento y la flexibilidad de los sistemas de energía eléctrica.
Ubicación y Configuración de las Tomas
En los transformadores secos, el cambiador de tomas se encuentra típicamente en el bobinado de alta tensión. Configurar la toma implica simplemente cambiar el orden de las conexiones entre las tomas particulares, de forma idéntica en todos los bobinados de alta tensión. Los ajustes individuales (orden de conexión de las tomas) del cambiador de tomas se presentan como diagrama en una pegatina de la barra del cabezal del transformador.
Mecanismos del OLTC en Transformadores Secos
En un transformador con capacidad de cambio de tomas en carga, se instala un cambiador de tomas. Existen diferentes tipos de OLTC:
- El cambiador de tomas bajo carga tipo resistencia utiliza resistencias para limitar la corriente durante el proceso de cambio de tomas. Cuando se requiere un cambio de toma, el cambiador de tomas primero conecta la resistencia al circuito, lo que provoca un cortocircuito de cambio.
- El cambiador de tomas bajo carga tipo reactor utiliza reactores en su lugar, los cuales ayudan a la corriente durante la transición entre grifos.
Proceso de Ajuste del Voltaje
La regulación de voltaje en un transformador de tipo seco con OLTC implica ajustar el engranaje del transformador. Este ajuste se realiza mediante el sistema de control del transformador y debe seguir una serie de pasos. Primero, se determina el engranaje requerido para la regulación de voltaje, luego se ajusta el engranaje, y finalmente se ajusta el voltaje. El método de ajuste del engranaje es controlar el engranaje del transformador a través del sistema de control, generalmente en forma de pulso.
Es crucial que el engranaje se ajuste paso a paso de acuerdo con la situación específica del transformador para evitar un voltaje demasiado grande o demasiado pequeño y garantizar la estabilidad del voltaje. Este ajuste de marcha se llevará a cabo bajo la condición de carga del transformador para garantizar la vida útil del transformador y la confiabilidad de operación.
Un ejemplo de aplicación de regulación es el siguiente: si un valor bajo en la tensión baja significa que el valor de tensión alta también es demasiado bajo, el cambiador de tomas debe configurarse para una tensión alta inferior (por ejemplo, entre 21.000 y 20.475 V). De igual modo, si un valor excesivo en la tensión baja significa que el valor de tensión alta también es demasiado elevado, el cambiador de tomas debe configurarse para una tensión alta superior (por ejemplo, entre 21.000 y 21.525 V).
Beneficios y Aplicaciones del OLTC en Transformadores Secos
Regulación Precisa de Voltaje y Mejora de la Calidad de la Energía
Una de las ventajas más importantes del cambio de tomas bajo carga es su capacidad para regular el voltaje. En los sistemas de energía eléctrica, el voltaje puede fluctuar debido a diversos factores, como cambios en la demanda de carga, variaciones en el suministro de energía o fallas en la red. Con un transformador de tipo seco OLTC, el voltaje de salida se puede ajustar en tiempo real para mantener un nivel de voltaje estable en el extremo de la carga. Al mantener un voltaje estable, el cambio de tomas en carga ayuda a mejorar la calidad general de la energía. Los voltajes fluctuantes pueden causar problemas como luces parpadeantes, reducción de la vida útil del equipo y mal funcionamiento de los dispositivos electrónicos.
Adaptabilidad a Diversas Cargas y Entornos
La capacidad de los transformadores secos con OLTC para adaptarse a diferentes escenarios de carga los hace muy versátiles:
- Adaptación a cambios de carga: Las cargas industriales y comerciales pueden variar significativamente con el tiempo. Por ejemplo, una planta de fabricación puede tener diferentes niveles de producción en distintos momentos del día, lo que da lugar a diferentes demandas de energía. Un transformador de tipo seco con cambio de tomas en carga puede adaptarse a estos cambios de carga ajustando el voltaje de salida en consecuencia.
- Redes de distribución de servicios públicos: Se utilizan para regular el voltaje en diferentes puntos del sistema. A medida que la carga en la red cambia a lo largo del día, los transformadores OLTC pueden ajustar el voltaje para garantizar que los consumidores reciban un suministro de energía estable y confiable.
- Instalaciones industriales: Suelen tener sistemas eléctricos complejos con una amplia gama de equipos que requieren diferentes niveles de voltaje. Los transformadores de tipo seco con cambio de tomas en carga se pueden utilizar para proporcionar soluciones de voltaje personalizadas para diferentes tipos de equipos.
- Edificios comerciales: Como oficinas, centros comerciales y hospitales, tienen una combinación diversa de cargas eléctricas. Los transformadores de tipo seco con cambio de toma en carga se pueden utilizar para mantener un suministro de voltaje estable a equipos sensibles como computadoras, servidores y dispositivos médicos.
En un escenario real, un transformador de cambio de tomas de 110 kV alimentando un alimentador mixto industrial-residencial se beneficiaría enormemente de la capacidad de un OLTC para gestionar las fluctuaciones de carga.
Datos Técnicos y Ejemplos de Transformadores Secos con OLTC
Los transformadores secos con cambiadores de tomas en carga están disponibles en diversas configuraciones para satisfacer diferentes requisitos de capacidad y voltaje.
Modos de Conexión Externa
Para los transformadores secos, los modos de bobinado del terminal pueden variar:
- Terminal de alto voltaje:
- El enrollado desde la parte superior es estándar.
- Es aceptable enrollarlo desde abajo.
- Terminal de bajo voltaje:
- El enrollado desde la parte superior es estándar.
- Es aceptable enrollarlo desde abajo.
- Es aceptable enrollarlo desde el lado horizontal.
Cambiador de Tomas en Carga SCZ(B)9-35KV
A continuación, se presentan datos técnicos para una serie específica de transformadores secos con cambiador de tomas en carga:
| Capacidad Nominal (kVA) | Combinación de Voltaje (H·V / L·V) (kV) | Rango de Tomas de Alto Voltaje | Conexión | Pérdida Sin Carga (w) | Pérdida de Carga (w) 120℃ | Corriente Sin Carga (%) | Impedancia de Cortocircuito (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 5000 | 20000 | 0.90 | 7.0 |
| 2500 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 5800 | 23800 | 0.90 | 7.0 |
| 3150 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 7000 | 26800 | 0.80 | 8.0 |
| 4000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 8200 | 32100 | 0.80 | 8.0 |
| 5000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 9700 | 38000 | 0.70 | 8.0 |
| 6300 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 11500 | 44000 | 0.70 | 9.0 |
| 8000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 13200 | 50000 | 0.60 | 9.0 |
| 10000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 15100 | 60200 | 0.60 | 10.0 |
| 12500 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 18300 | 70000 | 0.50 | 10.0 |
| 16000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 22500 | 82400 | 0.50 | 10.0 |
| 20000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 26500 | 92700 | 0.40 | 10.0 |
Nota: La dimensión del contorno está diseñada de acuerdo con los requisitos.
Cambiador de Tomas en Carga SCZ(B)10-35KV
Otra serie de transformadores secos con cambiador de tomas en carga presenta las siguientes especificaciones:
| Capacidad Nominal (kVA) | Combinación de Voltaje (H·V / L·V) (kV) | Rango de Tomas de Alto Voltaje | Conexión | Pérdida Sin Carga (w) | Pérdida de Carga (w) 120℃ | Corriente Sin Carga (%) | Impedancia de Cortocircuito (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 4500 | 10000 | 0,75 | 7.0 |
| 2500 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 5220 | 22600 | 0,75 | 7.0 |
| 3150 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 6300 | 26400 | 0.70 | 8.0 |
| 4000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 7380 | 30400 | 0.70 | 8.0 |
| 5000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 8730 | 36100 | 0.60 | 8.0 |
| 6300 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 10300 | 41800 | 0.60 | 9.0 |
| 8000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 11800 | 47500 | 0.50 | 9.0 |
| 10000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 13500 | 57100 | 0.50 | 10.0 |
| 12500 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 16400 | 66500 | 0.40 | 10.0 |
| 16000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 20200 | 78200 | 0.40 | 10.0 |
| 20000 | 35 / 6, 6.3, 10, 10.5, 11 | 38,5 ±4*2,5 | Dyn11, Yd11 | 23800 | 88000 | 0.35 | 10.0 |
Nota: La dimensión del contorno está diseñada según los requisitos.
Breve Historia del Cambiador de Tomas
El cambiador de tomas fue inventado en 1926 por Bernhard Jansen, un doctor en Ciencias de la Ingeniería. Sin embargo, no fue hasta cuatro años más tarde, en 1930, que se instalaron los primeros cambiadores de tomas en la historia.
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