Un transformador de distribución o transformador de servicio proporciona una transformación de voltaje final en el sistema de distribución de energía eléctrica , reduciendo el voltaje utilizado en las líneas de distribución al nivel utilizado por el cliente. [1] La invención de un transformador práctico y eficiente hizo posible la distribución de energía de CA ; un sistema que utiliza transformadores de distribución se demostró ya en 1882. [2]
Si se montan en un poste de servicios públicos , se denominan transformadores montados en poste . Supongamos que las líneas de distribución están ubicadas a nivel del suelo o bajo tierra. En ese caso, los transformadores de distribución se montan sobre plataformas de hormigón y se encierran en cajas de acero, por lo que se conocen como transformadores montados en plataforma con toma de distribución .
Los transformadores de distribución suelen tener potencias nominales inferiores a 200 kVA , [3] aunque algunas normas nacionales permiten que las unidades de hasta 5000 kVA se describan como transformadores de distribución. Dado que los transformadores de distribución están energizados las 24 horas del día (incluso cuando no llevan ninguna carga), la reducción de las pérdidas de hierro es vital en su diseño. Por lo general, no funcionan a plena carga, por lo que están diseñados para tener la máxima eficiencia con cargas más bajas. Para tener una mejor eficiencia, la regulación de voltaje en estos transformadores debe mantenerse al mínimo. Por lo tanto, están diseñados para tener una pequeña reactancia de fuga . [4]
Los transformadores de distribución se clasifican en diferentes categorías en función de factores como:
Los transformadores de distribución se encuentran normalmente en las bajadas de servicio , donde los cables van desde un poste de electricidad o líneas eléctricas subterráneas hasta las instalaciones de un cliente. A menudo se utilizan para el suministro eléctrico de instalaciones fuera de los asentamientos, como casas aisladas, granjas o estaciones de bombeo a voltajes inferiores a 30 kV. Otra aplicación es el suministro eléctrico del cableado aéreo de los ferrocarriles electrificados con corriente alterna. En este caso, se utilizan transformadores de distribución monofásicos. [5]
La cantidad de clientes que se alimentan con un solo transformador de distribución varía según la cantidad de clientes en una zona. En las zonas urbanas, es posible que se alimente a varias viviendas con un solo transformador; en función del voltaje de la red, la distribución rural puede requerir un transformador por cliente. Un gran complejo comercial o industrial tendrá varios transformadores de distribución. En las zonas urbanas y los vecindarios donde las líneas de distribución primaria corren bajo tierra, los transformadores tipo pedestal y los gabinetes metálicos cerrados se montan sobre una plataforma de hormigón. Muchos edificios grandes tienen servicio eléctrico provisto con el voltaje de distribución primaria. Estos edificios tienen transformadores propiedad del cliente en el sótano para fines de reducción de tensión. [5]
Los transformadores de distribución también se encuentran en las redes de recolección de energía de los parques eólicos , donde aumentan la potencia de cada turbina eólica para conectarla a una subestación que puede estar a varias millas (kilómetros) de distancia. [6]
Tanto los transformadores montados en postes como los montados en pedestales convierten el alto voltaje "primario" de las líneas de distribución aéreas o subterráneas en el voltaje "secundario" o de "utilización" más bajo dentro del edificio. Los cables de distribución primarios utilizan el sistema trifásico . Las líneas de distribución principales siempre tienen tres cables "activos" más un neutro opcional. En el sistema norteamericano, donde los transformadores monofásicos se conectan a un solo cable de fase, las líneas "laterales" más pequeñas que se ramifican en caminos secundarios pueden incluir solo uno o dos cables de fase "activos". (Cuando solo existe un cable de fase, siempre se proporcionará un neutro como ruta de retorno). Los primarios proporcionan energía a los voltajes de distribución estándar utilizados en el área; estos varían desde tan solo 2,3 kV hasta aproximadamente 35 kV según las prácticas y estándares de distribución locales, a menudo se utilizan 11 kV (sistemas de 50 Hz) y 13,8 kV (sistemas de 60 Hz), pero muchos otros voltajes son estándar. Por ejemplo, en Estados Unidos , el voltaje más común es 12,47 kV, con un voltaje de línea a tierra de 7,2 kV. [7] Tiene un voltaje de fase a neutro de 7,2 kV, exactamente 30 veces los 240 V en el lado secundario de fase dividida .
Los devanados primarios de alto voltaje se llevan a bujes en la parte superior de la caja.
El transformador siempre está conectado a las líneas de distribución primarias a través de fusibles de protección e interruptores de desconexión . En el caso de los transformadores montados en postes, esto suele ser un " cortacircuitos con fusible ". Una falla eléctrica derrite el fusible y el dispositivo se abre para dar una indicación visual de que hay un problema. Los operarios de la línea también pueden abrirlo manualmente mientras la línea está energizada utilizando pértigas aislantes . En algunos casos, se utilizan transformadores completamente autoprotegidos, que tienen un disyuntor incorporado, por lo que no se necesita un cortacircuitos con fusible.
Los devanados secundarios de bajo voltaje están conectados a tres o cuatro terminales en el lado del transformador.
Los transformadores de distribución constan de un núcleo magnético hecho de láminas de acero al silicio ( acero de transformador ) apiladas y pegadas entre sí con resina o unidas con correas de acero, con los devanados de cable primario y secundario envueltos alrededor de ellas. Esta construcción de núcleo está diseñada para reducir las pérdidas del núcleo y la disipación de energía magnética como calor en el núcleo, una causa económicamente importante de pérdida de energía en las redes de servicios públicos. Dos efectos causan pérdidas en el núcleo: pérdida de histéresis en el acero y corrientes parásitas . El acero al silicio tiene baja pérdida de histéresis , y la construcción laminada evita que las corrientes parásitas fluyan en el núcleo, lo que disipa energía en la resistencia del acero. La eficiencia de los transformadores de distribución típicos está entre aproximadamente el 98 y el 99 por ciento. [8] [9] Cuando se fabrican grandes cantidades de transformadores con diseños estándar, un núcleo enrollado en forma de C es económico de fabricar. Una tira de acero se envuelve alrededor de un molde, se presiona en forma y luego se corta en dos mitades en forma de C que se vuelven a ensamblar en los devanados de cobre. [10]
Las bobinas primarias están hechas de alambre de cobre o aluminio recubierto de esmalte , y las secundarias de alta corriente y bajo voltaje están hechas de una cinta gruesa de aluminio o cobre. Los devanados están aislados con papel impregnado de resina. Todo el conjunto se hornea para curar la resina y luego se sumerge en un tanque de acero recubierto de polvo , que luego se llena con aceite de transformador (u otro líquido aislante), que es inerte y no conductor. El aceite de transformador enfría y aísla los devanados y los protege de la humedad. El tanque se vacía temporalmente durante la fabricación para eliminar cualquier humedad restante que pueda causar arcos eléctricos y se sella contra la intemperie con una junta en la parte superior. [ cita requerida ]
Anteriormente, los transformadores de distribución para uso en interiores se llenaban con un líquido de bifenilo policlorado (PCB). Debido a que estos productos químicos persisten en el medio ambiente y afectan negativamente a los animales, se han prohibido. Otros líquidos resistentes al fuego, como las siliconas, se utilizan cuando se debe utilizar un transformador lleno de líquido en interiores. Se han utilizado ciertos aceites vegetales como aceite para transformadores; estos tienen la ventaja de un punto de ignición alto y son completamente biodegradables en el medio ambiente. [11]
Los transformadores montados en postes suelen incluir accesorios como pararrayos o fusibles de protección. Un transformador autoprotegido consta de un fusible interno y un pararrayos; otros transformadores tienen estos componentes montados por separado fuera del tanque. [12] Los transformadores montados en postes pueden tener orejetas que permiten el montaje directo en un poste o pueden montarse en travesaños atornillados al poste. Los transformadores aéreos, de más de 75 kVA, pueden montarse en una plataforma sostenida por uno o más postes. [13] Un servicio trifásico puede utilizar tres transformadores idénticos, uno por fase.
Los transformadores diseñados para instalación subterránea pueden diseñarse para inmersión periódica en agua. [14]
Los transformadores de distribución pueden incluir un cambiador de tomas sin carga, que ajusta ligeramente la relación entre el voltaje primario y secundario para llevar el voltaje del cliente dentro del rango deseado en líneas largas o muy cargadas. [ cita requerida ]
Los transformadores montados en pedestal tienen gabinetes metálicos seguros, cerrados con llave, atornillados y conectados a tierra para impedir el acceso no autorizado a las partes internas activas. El gabinete también puede incluir fusibles, interruptores de aislamiento, bujes de corte por carga y otros accesorios, como se describe en las normas técnicas. Los transformadores montados en pedestal para sistemas de distribución suelen tener entre 100 y 2000 kVA, aunque también se utilizan algunas unidades más grandes. [ cita requerida ]
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En Estados Unidos, los transformadores de distribución a menudo se instalan al aire libre en postes de madera.
En Europa, lo más habitual es colocarlos en edificios. Si las líneas de alimentación son aéreas, parecen torres. Si todas las líneas que van al transformador son subterráneas, se utilizan edificios pequeños. En las zonas rurales, a veces los transformadores de distribución se montan en postes, y el poste suele estar hecho de hormigón o hierro debido al peso del transformador.