Características Constructivas de los TC de Alta Tensión

Las características constructivas de los Transformadores de Corriente (TC) de alta tensión varían dependiendo del material de aislamiento, de la posición de los núcleos, y de las tensiones mecánicas que apliquen en cada proyecto.

Recordemos que el objetivo principal del TC es transformar corrientes de un valor alto a un valor fácil de manejar para relés de protecciones e instrumentos de medición. Y, al mismo tiempo, aislar el circuito de medición del sistema primario de alta tensión.

En este artículo describiremos los principales tipos de aislamiento de TC que existen, así como los diferentes tipos de diseño de este equipo. Al finalizar, resumiremos los esfuerzos mecánicos que se deben tomar en cuenta durante la planificación y diseño de la subestación para evitar problemas operativos si se elige el TC con características constructivas que no estén adaptadas al entorno donde se instalará.

Características de Aislamiento en los TC de Alta Tensión

A continuación, describiremos los tipos de aislamiento con los que se suelen fabricar los transformadores de corriente, dependiendo de la marca, del presupuesto y del entorno en que se van a instalar.

‣ Transformadores de Corriente Sumergidos en Aceite

Los transformadores de corriente sumergidos en aceite tienen aislamiento externo de porcelana y son los más comunes. Generalmente, se dividen en dos tipos principales: «Hair-pin» y «Top-core».

El transformador de corriente tipo «Hair-pin», también llamado «tipo tanque», tiene los núcleos situados en un tanque cerca del suelo, y el conductor primario tiene la forma de «U» como se muestra en la figura de abajo.

Mientras que, el transformador de corriente tipo «Top-core», también llamado «tipo invertido», tiene los núcleos situados en la parte superior del transformador. En este caso, el conductor primario suele tener la forma de una barra, aunque en algunos casos puede tener forma de bobina.

Tipos de Transformadores de Corriente (TC) sumergidos en Aceite. Características TC Alta Tensión.
Tipos de Transformadores de Corriente Aislados en Aceite. Fuente: ABB Instrument Transformers Application Guide.

‣ Transformadores de Corriente Moldeados en Epoxi

Los transformadores de corriente con aislamiento epoxi tienen el devanado primario y los núcleos secundarios incrustados en una mezcla de epoxi y harina de cuarzo que proveen una buena fijación. Este tipo de aislamiento en TC es común en subestaciones por debajo de los 110kV.

Sin embargo, para el montaje al aire libre el epoxi no es el mejor material para soportar el estrés climático en las superficies de fuga. En estos casos, la porcelana y la goma de silicona son más resistentes a la corrosión atmosférica. Por lo tanto, es mejor optar por transformadores de corriente aislados con epoxi con superficies de fuga hechas de porcelana para que pueda soportar los entornos agresivos.

‣ Transformadores de Corriente Aislados en Gas SF6

Los transformadores de corrientes aislados en gas SF6 tienen diseño típico con el núcleo ubicado en la parte superior (Top-core). En este caso, el gas SF6 es únicamente para fines aislantes y debe mantenerse a altas presiones, por lo que el recipiente y las juntas deben ser más robustos que los demás modelos de TC para poder contener la presión del gas.

‣ Transformadores de Corriente con Aislamiento de Goma de Silicona

El aislamiento de goma de silicona es una alternativa a los aisladores cerámicos para los TC debido a las propiedades únicas de no humectación.

Dependiendo del tipo de equipo (TC, pararrayo, interruptor) la goma de silicona es el material polimérico más dominante en subestaciones de alta tensión. Ya que, la silicona es más liviana que el aislamiento cerámico y no es quebradiza, otorgando ventajas técnicas adicionales y mejoras de seguridad a los equipos de la subestación.

Diseños Típicos de los Transformadores de Corriente

En general, se pueden encontrar cuatro tipos de diseño de transformadores de corriente: Tipo Horquilla, Tipo Cáncamo, Tipo Núcleo Superior, y Tipo Combinado. A continuación, describiremos las características de cada uno de estos modelos de TC de alta tensión.

1. Transformador de Corriente «Tipo Horquilla» o «Tipo Tanque»

Transformador de Corriente de Alta Tensión Tipo Horquilla

El TC tipo horquilla suele tener aislamiento en aceite y tiene los núcleos secundarios en la parte inferior, por lo que tiene un centro de gravedad bajo y tiene alta resistencia a los terremotos. Esto trae como ventaja que se puedan utilizar núcleos pesados sin estresar el aislante de porcelana. Por lo tanto, es un diseño flexible para adaptar el volumen del núcleo a diferentes requerimientos.

Este tipo de diseño se denomina «Hair-pin» en inglés, aunque también se le suele llamar «Tipo Tanque» porque el tanque donde se encuentran los núcleos es parte del soporte.

Otra ventaja de este diseño es que la circulación de aceite en el tubo del conductor primario garantiza una temperatura uniforme y sin puntos calientes. Sin embargo, como el conductor primario es largo, tiene mayores pérdidas térmicas.

2. Transformador de Corriente «Tipo Cáncamo»

Transformador de Corriente de Alta Tensión con Diseño Tipo Cáncamo

El transformador de corriente tipo cáncamo (Eye-bolt Type en inglés) tiene un diseño híbrido entre el modelo de horquilla y el de núcleo superior. Pero tiene muchas desventajas.

Como el conductor primario es largo, tiene pérdidas térmicas y el TC no es tan competitivo como lo son los demás modelos. Además, este arreglo presenta dificultad para enfriar el conductor primario y tiene baja capacidad de soporte de corriente de cortocircuito.

Por otra parte, este diseño tiene poca flexibilidad para considerar grandes volúmenes de núcleos. Por lo que tiene aplicaciones muy limitadas.

3. Transformador de Corriente «Tipo Núcleo Superior»

Transformador de Corriente de Alta Tensión con Núcleo Superior (Top-core)

Este tipo de transformador de corriente, también llamado «Top-core Type», tiene el conductor primario con menor longitud que los modelos anteriores, por lo que las pérdidas térmicas son más bajas. Además, tiene capacidad para altas corrientes nominales y puede soportar altos niveles de cortocircuito.

Sin embargo, como en este modelo el núcleo está ubicado en la parte superior, el centro de gravedad del equipo es muy alto, y el gran volumen del núcleo estresa el aislante de porcelana. Por lo tanto, el diseño del volumen del núcleo es limitado, y no es apto para instalarse en zonas sísmicas cuando se utilizan núcleos grandes.

Otra desventaja es su dificultad para enfriar los devanados secundarios, que están incrustados en el aislamiento de papel.

4. Transformador «Tipo Combinado de Corriente-Tensión»

Transformador de alta tensión Tipo combinado de corriente y voltaje. Características TC Alta Tensión.

Este tipo de transformador mide la corriente y el voltaje en la misma unidad, ahorrando espacio y soporte. Por lo que es ideal para aplicación en proyectos con poco espacio disponible para construir una subestación de alta tensión.

Sin embargo, es menos flexible con el diseño de las capacidades nominales de los núcleos, particularmente con los de medición de corriente.

Tensión Mecánica en Transformadores de Corriente

Los transformadores de corriente en funcionamiento se someten a esfuerzos mecánicos de diferentes maneras. Los esfuerzos mecánicos más importantes que debemos tomar en cuenta para diseñar las características constructivas de los TC de alta tensión son los siguientes:

  • Fuerzas en los Terminales Primarios: Las barras y los cables conectados al TC desarrollan fuerzas en los terminales primarios. Hay una tensión estática por el peso del conductor conectado. Y, hay una tensión dinámica por el ciento y las vibraciones en el funcionamiento del disyuntor. También se producen fuerzas electrodinámicas cuando ocurre un cortocircuito.
  • Carga de Viento: Un transformador de corriente también debe soportar la tensión del viento, cuya velocidad depende de las condiciones climáticas. La velocidad máxima del viento que puede ocurrir es de unos 180km/h (50m/s), dependiendo de posibles huracanes que sobrepasen esa velocidad. Sin embargo, la cifra típica de velocidad del viento en condiciones normales es de 35m/s.
  • Resistencia Sísmica: En las regiones sísmicas, el transformador de corriente debe soportar la tensión sísmica causada por un terremoto. La cifra de aceleración está determinada por la región donde se instala el transformador de corriente. La tensión en el TC depende de la configuración total del diseño del soporte, los espectros de respuesta y la amortiguación. Para verificar exactamente la tensión en el TC, se debe realizar un cálculo de caso a caso.

Conclusiones

Las características constructivas de los TC de alta tensión son muy diversas y están vinculadas a diferentes factores a los que se expone el transformador de corriente en condiciones operativas. En la etapa de planificación y diseño del proyecto, no sólo se debe tomar en cuenta el presupuesto que se tiene destinado para la partida del transformador de corriente, sino que también se debe tomar en cuenta el diseño constructivo del transformador y el aislamiento adecuado para soportar las condiciones climáticas sin dañarse a largo plazo.

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Fuentes

ABB. Instrument Transformers. Application Guide.

Instrument Transformers – OSKF (gevernova.com)

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