Los transformadores de prueba de alta tensión (AT) son dispositivos especializados diseñados para generar alta tensión a frecuencia industrial, y se les conoce simplemente como transformadores de prueba. Clasificados como transformadores elevadores, sus funciones principales incluyen la comprobación del rendimiento del aislamiento de productos eléctricos, la comprobación de la tensión de resistencia a frecuencia industrial y la medición de descargas parciales, y se caracterizan por su corta vida útil.
Su rango de tensión de funcionamiento abarca de 0.4 kV a 10 kV en el lado primario y puede alcanzar de 100 a 2000 kV o más en el lado secundario, con una capacidad que va de 3 kVA a 9000 kVA. Los transformadores adoptan una estructura autoenfriada sumergida en aceite o aislada con gas SF₆.
El devanado de alta tensión adopta un diseño de bobina de torre multicapa, generalmente con un extremo conectado a tierra, mientras que el devanado de baja tensión se monta externamente. Los modelos con una capacidad superior a 10 kVA están equipados con ruedas de hierro móviles, lo que les confiere un tamaño compacto y un peso ligero. La tensión de impedancia de una sola unidad oscila entre el 4.5 % y el 10 %, y puede alcanzar entre el 30 % y el 40 % cuando se utilizan varias unidades en cascada. La forma de onda de la tensión de salida es casi sinusoidal. Los materiales de aislamiento del devanado utilizan alambre esmaltado de poliéster y materiales compuestos resistentes a alta tensión. El cuerpo del transformador se somete a un tratamiento de secado al vacío, y se requiere el llenado de aceite al vacío para productos con una tensión nominal superior a 100 kV.
- Clasificación por tipo estructural
- Transformadores de prueba de alta tensión sumergidos en aceite
En el tipo más común, el cuerpo del transformador está sumergido en aceite aislante, que sirve tanto de medio aislante como de medio de disipación de calor.
Ventajas: Excelente aislamiento, gran capacidad y alta resistencia a la tensión. Adecuado para pruebas de tensión de resistencia a frecuencia industrial y ampliamente utilizado en centrales eléctricas, subestaciones y por fabricantes de equipos eléctricos de alta tensión.
Desventajas: Gran volumen, peso elevado, relativamente incómodo para el transporte y la instalación.
- Transformadores de prueba de alta tensión de tipo seco
Al estar encapsulados mediante el moldeo o el bobinado de materiales aislantes sólidos como la resina epoxi, no contienen aceite aislante.
Ventajas: Tamaño compacto, peso ligero, libre de contaminación, fácil mantenimiento, alta resistencia a la humedad y la contaminación. Adecuado para pruebas de laboratorio, pruebas en interiores o ambientes húmedos.
Desventajas: Capacidad y tensión nominal limitadas en comparación con sus homólogos sumergidos en aceite; coste ligeramente superior al de los productos sumergidos en aceite de las mismas especificaciones.
- Transformadores de prueba de alta tensión con aislamiento de gas
Los gases aislantes, como el hexafluoruro de azufre (SF₆) o el nitrógeno, se utilizan como medios de aislamiento y refrigeración, sellados en una carcasa metálica.
Ventajas: Alto poder aislante, buena disipación del calor, estructura compacta, sin riesgo de fugas de aceite. Adecuado para entornos especiales como zonas de gran altitud y emplazamientos a prueba de explosiones.
Desventajas: Requiere un sellado hermético del gas; es necesario un control regular de la presión del gas durante el funcionamiento, lo que conlleva costes de mantenimiento relativamente elevados.
- Transformadores de prueba de alta tensión tipo cascada
Compuesto por varios transformadores de prueba individuales conectados en serie, se logra una tensión de salida ultra alta mediante un aumento gradual de la tensión.
Ventajas: Capaz de generar un voltaje de salida ultra alto que oscila entre cientos de miles y millones de voltios, cumpliendo con los requisitos de prueba de los equipos de ultra alto voltaje.
Desventajas: Estructura compleja, gran dificultad en la regulación y el control de voltaje, y requisitos estrictos para el diseño de aislamiento y ecualización de voltaje.
| Alta tensión sumergida en aceite Transformador de prueba | Transformador de prueba de alta tensión de tipo seco | Transformador de prueba de alta tensión con aislamiento de gas | Transformador de prueba de alta tensión tipo cascada |
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- Clasificación por modo de regulación de voltaje
Transformadores de prueba regulados por autotransformador
Equipados con un autotransformador incorporado, ajustan la tensión de entrada cambiando el número de espiras en el devanado primario, variando así la tensión de salida elevada.
Ventajas: Estructura simple, fácil manejo y bajo costo. Adecuado para escenarios de prueba con capacidad pequeña a mediana y bajos niveles de voltaje.
Transformadores de prueba con regulación independiente
El cuerpo del transformador está separado del regulador de voltaje, que generalmente utiliza un regulador de voltaje eléctrico o un regulador de voltaje por inducción.
Ventajas: Alta precisión en la regulación de voltaje, voltaje de salida estable y compatibilidad con control remoto. Adecuado para pruebas de precisión con gran capacidad y altos niveles de voltaje.
III. Clasificación por forma de onda/frecuencia de prueba
Transformadores de prueba de frecuencia industrial
Generan corriente alterna sinusoidal de 50 Hz/60 Hz y se utilizan para pruebas de resistencia a la tensión de circuito abierto en equipos eléctricos. Son el tipo más básico de transformadores de prueba.
Transformadores de prueba resonantes en serie de frecuencia variable
Como equipos elevadores de tensión resonantes, constan de un transformador de prueba, un transformador de excitación, un reactor, un divisor de tensión capacitivo y otros componentes para formar un circuito resonante.
Ventajas: Tamaño compacto, peso ligero y alta tasa de utilización de la capacidad. Adecuado para pruebas de tensión de resistencia en objetos de prueba capacitivos como cables largos, condensadores y generadores, y puede reducir eficazmente la demanda de capacidad de los equipos de prueba.
Transformadores de prueba de impulso
Diseñados especialmente para generar tensión de impulso de rayo o tensión de impulso de conmutación, simulan sobretensiones en los sistemas eléctricos.
Características: Alto pico de tensión de salida instantánea y corta duración. Deben utilizarse con un generador de tensión de impulso y se aplican en pruebas de resistencia a la tensión de impulso de equipos como transformadores y pararrayos.
- Otros tipos especiales
Transformadores portátiles de alta tensión para pruebas: Suelen ser de tipo seco o de pequeño tamaño, sumergidos en aceite. Son compactos, ligeros y fáciles de transportar para realizar pruebas in situ. Son adecuados para la detección in situ de líneas eléctricas y equipos de distribución.
Transformadores de prueba de doble propósito CA-CC: capaces de generar alta tensión CA o alta tensión CC, conmutable mediante un rectificador. Un solo dispositivo cumple múltiples funciones, lo que permite ahorrar en inversión en equipos.
Introducción Básica
Los equipos eléctricos deberán someterse a pruebas de resistencia a la tensión alterna tras su salida de fábrica, entrega o mantenimiento mayor, para evaluar su nivel de aislamiento frente a sobretensiones en condiciones reales. Por lo tanto, se instalarán equipos de prueba de resistencia a la tensión alterna en laboratorios de alta tensión o centros de ensayo tanto de fabricación como de operaciones.
Los transformadores de prueba de alta tensión, también conocidos como transformadores de prueba, son generalmente transformadores elevadores. Estos transformadores utilizan la alta tensión de frecuencia industrial inducida en su lado secundario para realizar pruebas de aislamiento en diversos productos eléctricos y materiales aislantes.
Los transformadores de prueba son equipos eléctricos indispensables para las pruebas de resistencia a la tensión en el mantenimiento y la fabricación de motores, transformadores y productos eléctricos.
Las principales aplicaciones de los transformadores de prueba incluyen ensayos de tensión de resistencia a frecuencia industrial en productos eléctricos, medición de descargas parciales , ensayos de estabilidad térmica de medios aislantes, etc. Para equipos eléctricos de media y alta frecuencia, también se pueden utilizar transformadores de prueba con frecuencias especiales para ensayos de tensión de resistencia y medición de parámetros eléctricos relevantes.
Los transformadores de prueba tienen una gran relación de voltaje entre los devanados primario y secundario. El voltaje primario varía de 0.4 kV, 3 kV, 6 kV a 10 kV, mientras que el voltaje secundario puede diseñarse para alcanzar de 100 a 2000 kV o más, con una capacidad que oscila entre 3 kVA y 9000 kVA.
Para las pruebas in situ de equipos eléctricos, generalmente se utilizan transformadores de prueba ligeros; para las pruebas de resistencia a la tensión de equipos eléctricos, como transformadores de 6 kV y 10 kV, se utilizan transformadores elevadores de 50 kV; y para las pruebas de resistencia a la tensión de equipos eléctricos de alta y ultra alta tensión con niveles de tensión superiores a 35 kV, se adoptan transformadores de prueba de ultra alta tensión con una tensión superior a 5 veces la tensión nominal primaria del equipo probado, como transformadores elevadores de 500 kV, 700 kV y 800 kV con niveles de capacidad específicos.
El principio de funcionamiento de los transformadores de prueba es el mismo que el de los transformadores de potencia. Las diferencias radican en que los transformadores de prueba se caracterizan por un alto voltaje de trabajo, una vida útil corta y un bajo aumento de temperatura, y generalmente no están equipados con disipadores de calor. Además, los transformadores de prueba manejan cargas pequeñas, principalmente capacitivas, y su capacidad es relativamente menor que la de los transformadores de potencia.
Caracteristicas
Alta tensión: La tensión primaria de los transformadores de prueba es de 220 V o 380 V, mientras que la tensión secundaria de un solo transformador de prueba suele alcanzar varios miles o decenas de miles de voltios. Los transformadores de prueba con una tensión secundaria superior a 750 kV suelen adoptar una estructura en cascada de varias unidades.
Baja corriente: La corriente nominal de los transformadores de prueba es en realidad la corriente capacitiva del objeto de prueba, por lo que generalmente es inferior a 1 A. Sin embargo, los transformadores de prueba utilizados para pruebas de cables y motores grandes, pruebas de contaminación del aislamiento externo, pruebas de corona de línea y otros proyectos pueden tener una corriente secundaria de varios amperios.
Tiempo de funcionamiento reducido: Debido al corto tiempo de resistencia a la tensión de los productos probados, los transformadores de prueba adoptan un sistema de funcionamiento de corta duración de 0.5 h o 1 h en general, excepto aquellos utilizados en pruebas de contaminación del aislamiento externo, pruebas de corona de línea y pruebas de cables.
Instalación monofásica en interiores: Los transformadores de prueba suelen ser monofásicos y para uso en interiores (algunos están diseñados para exteriores). Todos cuentan con una estructura autoenfriada sumergida en aceite y gruesas capas de aislamiento en el bobinado, y el bobinado de alta tensión suele estar conectado a tierra en un extremo.
Nivel de aislamiento desigual del devanado secundario: El extremo inicial del devanado secundario está a un potencial alto, mientras que el extremo final está conectado directamente a tierra o a través de un amperímetro.
Requisitos exigentes de diseño y fabricación: Debido a la alta tensión de funcionamiento, la estructura de aislamiento influye decisivamente en el tamaño total del transformador de prueba. El cuerpo del transformador generalmente requiere secado al vacío, y para productos de más de 100 kV es necesario el llenado con aceite al vacío.
Clasificación
Por estructura: transformadores de prueba con carcasa de hierro y transformadores de prueba con envolvente aislada.
Por frecuencia de red: Pruebe los transformadores con niveles de frecuencia tales como frecuencia de red, frecuencia multiplicada, frecuencia media y alta frecuencia.
Por nivel de tensión: transformadores de prueba de baja, alta y ultra alta tensión.
Mediante formulario de solicitud: Transformadores de prueba ligeros, tanto móviles como fijos, para uso individual y para conexión en cascada de dos o más unidades.
Los transformadores de prueba suelen ser dispositivos monofásicos para uso interior, con una estructura autoenfriada sumergida en aceite. Debido a su alta tensión de trabajo, las capas de aislamiento de sus bobinados son relativamente gruesas y un extremo del bobinado de alta tensión está conectado a tierra.
Los tipos estructurales específicos de transformadores de prueba generalmente incluyen tres tipos: tipo de buje simple, tipo de buje doble y tipo de cilindro aislante.
Requerimientos Técnicos
Forma de onda de la tensión de salida: La forma de onda de la tensión de salida de los transformadores de prueba debe ser lo más cercana posible a una onda sinusoidal. Para reducir la distorsión de la forma de onda causada por la tensión armónica generada cuando los componentes armónicos de la corriente en vacío atraviesan la impedancia del regulador de tensión y del transformador, la densidad de flujo magnético debe seleccionarse en el segmento lineal de la curva de magnetización del núcleo de hierro. Asimismo, se debe utilizar un equipo de regulación de tensión con baja distorsión de la forma de onda, y se pueden añadir dispositivos de filtrado si es necesario.
Voltaje de impedancia: La corriente secundaria de los transformadores de prueba es generalmente capacitiva. Cuando la corriente secundaria fluye a través de la impedancia del regulador de voltaje y el transformador de prueba, el voltaje de salida excede el valor determinado por la relación de voltaje. Por lo tanto, el voltaje de impedancia de los transformadores de prueba no debe ser demasiado alto, ya que podría afectar la precisión de los resultados de la prueba y reducir la capacidad de cortocircuito del equipo. Sin embargo, si el voltaje de impedancia es demasiado bajo, la corriente de cortocircuito puede aumentar cuando el objeto de prueba se daña o sufre una descarga disruptiva. El voltaje de impedancia de un solo transformador de prueba suele ser del 4.5 % al 10 %, y puede alcanzar del 30 % al 40 % cuando se conectan varias unidades en cascada.
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