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Para Sudamérica, Centroamérica y el Caribe • Megger • Abril 2013

Medición de la resistencia de devanados de transformadores Basado en la publicación técnica original por: Oleh. W. Iwanusiw, P.Eng, (retirado) Introducción La resistencia de los devanados de transformadores de potencia se mide de manera que se puedan calcular las pérdidas en el cobre y también se puede establecer la medición de aumento de temperatura promedio dentro de los devanados después de una prueba de calentamiento. Al medir la resistencia para establecer la temperatura del devanado, es necesario medirla rápidamente, de lo contrario el devanado se enfriará y se establecerá una temperatura incorrecta. Se cita un tiempo típico de cuatro minutos en algunas especificaciones: es el tiempo permitido desde la desactivación de la prueba de calentamiento hasta el momento en que se toma la primera lectura. Los devanados de transformadores también se miden para aplicaciones de mantenimiento a fin de confirmar que el devanado esté en buen estado, en particular que no haya espiras en cortocircuito o que algunos de los hilos paralelos no estén rotos. Estas mediciones también pueden mostrar los malos contactos en los cambiadores de derivación en línea y fuera de línea. Por lo tanto, la medición de resistencia de devanados se puede dividir en una aplicación de fábrica, donde las mediciones exactas se deben tomar rápidamente y no hay un énfasis particular para que el equipo de pruebas sea liviano y portátil. La segunda aplicación es para aplicaciones de mantenimiento, donde es necesario que el equipo sea portátil y no hay tanta necesidad de tomar las lecturas rápidamente. Puede ser apropiado señalar al comienzo que hay básicamente dos condiciones importantes que se deben cumplir si se

debe medir la resistencia de devanados de transformadores. Una de estas es la saturación del núcleo del transformador, en particular que la corriente no circulará en el devanado hasta que el núcleo esté saturado. La otra condición es que la corriente de prueba se debe mantener a un nivel fijo.

Algunos tiempos de saturación para devanados de voltaje más alto serían de 10 a 60 segundos al probar una fase de un transformador de 400 kV, o de 20 a 120 segundos al probar dos fases en un devanado de 400 kV en forma simultánea.

Esta presentación tiene como fin analizar las dos condiciones anteriores tal como se aplican a diferentes conexiones de devanado de transformadores de potencia monofásicos y trifásicos. Esto es aplicable sobre todo a las mediciones de los devanados de grandes transformadores de potencia. Las mediciones de transformadores de distribución más pequeños no presentan tantos problemas.

Se debe señalar al comienzo que la regulación de corriente electrónica típica no funcionará típicamente para esta aplicación. La razón para esto es que la carga (devanado del transformador) es inductiva y esto causa inestabilidad y oscilaciones en el circuito. Un método usado para superar este problema es agregar resistencia de lastre al circuito, otro es incrementar la corriente de prueba, reduciendo de esta manera la inductancia e incrementando las pérdidas del devanado. Esto reduce el factor de calidad “Q” del devanado que se está midiendo y de esta forma se estabiliza el regulador.

Saturación del núcleo: El primer problema encontrado al medir la resistencia de devanados es el de saturar el núcleo del transformador a fin de establecer una corriente en el devanado. Para saturar un núcleo de transformador se requiere la aplicación de volt-segundos —una medida proporcional al flujo magnético en el núcleo. Los volt-segundos (vs) requeridos dependen del voltaje especificado del devanado bajo prueba. Un devanado especificado a 110 kV @ 50 Hz requerirá la aplicación de aproximadamente 600 volt-segundos para saturar el núcleo. Este número (600 vs) puede variar, ya que depende del magnetismo residual en el núcleo y la polaridad de la corriente aplicada. Como el mecanismo residual puede ser tan alto como 75%, los volt-segundos reales requeridos para la saturación pueden variar aproximadamente desde 150 hasta 1000. Lo anterior indica que para acelerar el proceso de magnetización, es deseable un voltaje elevado. Un instrumento típico que proporciona una salida de alrededor de 30 voltios, tomará de 5 a 30 segundos para saturar el transformador mencionado.

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Estabilización de la corriente:

Independientemente del método utilizado en transformadores monofásicos o en transformadores trifásicos conectados en estrella- estrella, una vez que se ha saturado el núcleo y se ha establecido la corriente, se requerirá algún tiempo adicional para que la corriente se estabilice de manera que se puedan tomar lecturas de resistencia exactas. La situación es bastante diferente para los transformadores trifásicos conectados en estrella -delta. La dificultad con tales transformadores es que se establece típicamente una corriente dentro de los devanados conectados en delta durante el “proceso de saturación” y se debe permitir que esta corriente decaiga a muy cerca de cero, antes de que se puedan tomar lecturas estables y exactas. El decaimiento de esta corriente depende de la constante de tiempo ((L/R) de los devanados en delta.


La inductancia del devanado de transformadores grandes puede ser muy alta. Si la resistencia es muy pequeña, la constante de tiempo será igualmente relativamente grande. Se han experimentado constantes de tiempo de minutos y períodos de espera de más de 15 minutos (T = ~ 5 constantes de tiempo) al probar transformadores grandes en estrella-delta. Se han desarrollado una variedad de técnicas a fin de superar el problema de ocuparse de constantes de tiempo grandes y períodos de estabilización largos. Esto se analiza a continuación. Prueba en transformadores monofásicos y conectados en estrella-estrella: Como se indica arriba; la medición de la resistencia de devanados de los transformadores monofásicos en general presenta pocos problemas. Lo mismo se aplica a devanados conectados en estrellaestrella, ya que cada fase se comporta como un transformador monofásico. Una vez que está saturado el núcleo del transformador, es posible estabilizar la corriente y medir la resistencia rápidamente. Existe, sin embargo, una técnica disponible para acelerar el proceso. Esta misma técnica permite realizar mediciones exactas de resistencia incluso bajo condiciones de fuente de corriente algo inestables. La técnica se denomina “compensación de índice de cambio de corriente”. Como la caída de voltaje a través de un devanado se puede escribir como ‘V=I*R + L*di/dt’, podemos medir la resistencia del devanado bajo una condición de corriente variable siempre que podamos determinar y corregir el término “L*di/dt”. Como se puede medir una cantidad proporcional a “L*di/dt” en un segundo devanado del transformador, se puede resolver la ecuación y medir la resistencia. La técnica mencionada permite que se mida la resistencia de devanados muy rápidamente, ni bien se satura el núcleo y circula la corriente. Cuando se usa este método, apenas se requiere tiempo para estabilizar la corriente. Otra ventaja es que no requiere una fuente de corriente con regulación de corriente precisa Prueba en transformadores conectados en estrella-delta: La medición de transformadores conectados en estrella-delta presenta un problema debido a la corriente circulante que se puede establecer dentro de la conexión en delta durante el período de saturación. La magnitud de la corriente circulante depende del devanado o devanados que se excitan,

así como cualquier magnetismo residual en el núcleo. Una vez que está establecida, esta corriente circulante después decae según la constante de tiempo L/R de la conexión en delta, donde L es la inductancia y R es la resistencia del devanado en delta. Como la excitación de ciertos devanados actúa en forma simétrica sobre la conexión en delta, estas excitaciones en general no inducen una corriente circulante dentro de la conexión en delta. Se recomienda enfáticamente por lo tanto que estas conexiones se usen para las mediciones de resistencia de devanados, ya que proporcionarán una lectura de la resistencia en el tiempo más rápido posible. Estas conexiones se describen a continuación

FIG. 1. Medición de la resistencia de devanados usando el método de compensación de ‘Índice de cambio de corriente”.

La medición de otros devanados, aquellos en los que su excitación induce una corriente circulante, se deben llevar a cabo con la demora típica, pero se pueden tomar medidas para reducir el largo período de espera reduciendo la constante de tiempo. Un método de reducir la constante de tiempo de los devanados conectados en delta es reducir la inductancia del devanado. Esto se puede hacer rápidamente incrementando la corriente de prueba o pasando la corriente de prueba a través de otros devanados disponibles en el mismo núcleo. Esta conexión aplica amperio-vuelta adicionales sobre el núcleo, reduciendo significativamente la inductancia del devanado y reduciendo la constante de tiempo. La medición en los devanados conectados en estrella en transformadores en estrella-delta: Son posibles las conexiones del devanado en estrella, en general el devanado de alto voltaje del transformador, que induce

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una corriente circulante mínima dentro del devanado en delta. Estas conexiones permiten tomar la lectura de resistencia en el tiempo más rápido posible. Para los transformadores con una conexión de neutro en el devanado: 1. Excite y mida el devanado de fase ‘B’ (localizado en la sección central del núcleo). Este devanado está simétricamente localizado en la estructura del núcleo, de esta manera induce solo una corriente circulante mínima dentro de la conexión delta. 2. Excite y mida las fases ‘A’ y ‘C’ (localizadas en las dos secciones externas del núcleo). En forma similar a (N.° 1), esta conexión también induce únicamente una corriente circulante mínima dentro de la conexión delta. Para los transformadores sin una conexión de neutro disponible en el devanado en estrella 3. Excite y mida las fases ‘A’ y ‘C’ (localizadas en las dos secciones externas del núcleo). Esta conexión usa la fase ‘B’ para acceder al potencial entre las fases ‘A’ y ‘C’. 4. Excite y mida la resistencia de la fase ‘B’ en serie con las fases ‘A’ y ‘C’ conectadas en paralelo. La resistencia de la fase ‘B’ debe ser calculada restando el paralelo equivalente de las fases ‘A’ y ‘C’ (N.° 3) de la lectura obtenida aquí. Cualquier otra conexión ocasionará una significativa corriente circulante dentro de la conexión en delta, lo que extenderá el período de estabilización de corriente y causará una deriva aparente en el valor medido. Prueba en los devanados conectados en delta en transformadores en estrelladelta: La medición de los devanados en delta, en general devanados de bajo voltaje en un transformador de potencia, presenta la mayor dificultad ya que la excitación de estos devanados siempre induce una corriente circulando dentro de la conexión en delta. Excitar y medir la resistencia de devanados de fase ‘B’ (localizados en la sección central del núcleo) provocará una corriente circulante modesta dentro de la delta, mientras que excitar y medir los devanados ‘A’ o ‘C’ causará una corriente circulante mucho mayor. Los problemas de esta corriente circulante no se pueden evitar al medir la conexión en delta, tal como fue posible con los devanados en estrella, solamente se puede reducir la magnitud del problema. A fin de reducir la constante de tiempo, es deseable reducir la inductancia (L) de los devanados del transformador. Incrementar la


corriente de prueba causará en la reducción de la inductancia (L) y por lo tanto una constante de tiempo (TC) más corta. De esta manera, podemos demostrar que el tiempo para estabilizar una lectura tomará aproximadamente la mitad del tiempo con una corriente de prueba de 10 amperios respecto del necesario para una corriente de prueba de 5 amperios. De esta manera el núcleo del transformador se puede saturar la inductancia no deseada y se puede reducir aplicando corriente a otros devanados. Esto se realiza en general aplicando la corriente de prueba a otros devanados, tales como excitar el devanado en estrella en serie con el devanado en delta al medir la conexión en delta. Algunos transformadores tienen sus devanados de alto voltaje conectados en estrella, y los devanados de bajo voltaje conectados en delta, la aplicación de la corriente de prueba al devanado en estrella (Y) incrementa drásticamente la saturación del núcleo, reduciendo drásticamente de esta manera la inductancia residual. La constante de tiempo de la estabilización se reduce proporcionalmente. Como ejemplo, tome un transformador de 400 kV/11 kV, en estrella-delta (relación de vueltas ~21/1). Al probar el devanado en delta se tendrá una circulación de alrededor de 6,6 amperios en el mismo. Ahora, con la fuente de corriente conectada a una de las fases del devanado en estrella, la saturación del núcleo será incrementada por la relación de los devanados del transformador, en este caso 21 veces. Este nivel de saturación sería equivalente a probar la conexión en

delta con una corriente de ~210 amperios. La inductancia (L) del devanado en delta será reducida drásticamente, y lo mismo sucederá con la constante de tiempo (TC) de la estabilización. De esta manera, la manera más rápida de medir la resistencia de los devanados en delta es conectar la fase B del devanado en estrella en serie, con el devanado bajo prueba. Esta conexión esencialmente aumenta el tiempo de saturación del núcleo del transformador debido a la especificación de voltaje mayor del devanado, pero este reduce significativamente el período de estabilización debido a la inductancia reducida del devanado en delta. Resumen: 1. Los transformadores monofásicos, o trifásicos conectados en estrella-estrella se deben probar con el devanado de alto voltaje conectado en serie con el devanado de bajo voltaje. Esta conexión satura el núcleo del transformador más completamente, reduciendo el tiempo de estabilización requerido para una medición estable de resistencia. 2. Los devanados conectados en estrella de los transformadores en estrella-delta se deben probar en dos pasos: primero el devanado en la parte central del núcleo, después los dos devanados en las partes externas del núcleo. 3. Los devanados conectados en delta de los transformadores en estrella-delta se deben probar mientras están conectados en serie con la fase media del devanado en estrella.

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NOTA - Precaución en la magnitud de la corriente de prueba: Los fabricantes de transformadores advierten que se debe tener precaución en contra del uso de corrientes de prueba ALTAS; eso es, corrientes >10 A cuando se mide la resistencia de los devanados. El peligro es que una gran corriente de prueba de CC produce muy grandes fuerzas en el núcleo y puede causar daños. En general, se recomienda una corriente de prueba que es aproximadamente igual a la corriente de magnetización pico del devanado. Teniendo en cuenta lo anterior, podemos considerar un transformador de 150 MVA, 230/11 kV, y asumiendo que la corriente de magnetización es de alrededor del 1% de la corriente de carga: Se calcula una corriente de prueba recomendada de alrededor de 4,5 A. En forma similar, la corriente de prueba recomendada para el devanado de alto voltaje de un transformador de 450 MVA, 400/11 kV se puede establecer en aproximadamente 9 amperios. Antecedentes del artículo técnico: Oleh. W. Iwanusiw se desempeñó durante muchos años como Ingeniero principal de Megger Limited en Canadá. Desarrolló muchos instrumentos de prueba avanzados y altamente exactos durante ese tiempo, muchos que involucraban pruebas de transformadores. Ha presentado ponencias en conferencias en numerosos países y cuenta con patentes en muchos circuitos exclusivos


El Noticiero de Megger No. 3