Determinación de las impedancias homopolares de un transformador trifásico de tres columnas con conexión YNynd a partir de sus dimensiones geométricas

Resumen

En la presente tesis doctoral se determinan las impedancias homopolares de un transformador trifásico de tres columnas con conexión YNynd a partir de sus dimensiones geométricas. Los valores que se determinan corresponden a las ocho medidas estandarizadas posibles que resultan de las combinaciones de alimentar uno de los arrollamientos en estrella con el otro arrollamiento en estrella en en circuito abierto o en cortocircuito, y con el arrollamiento en triángulo cerrado o en triángulo abierto. Los métodos desarrollados fueron aplicados a transformadores que tienen el arrollamiento en triángulo en la posición más interna y a transformadores que los tienen en la posición más externa. Las impedancias homopolares magnetizantes corresponden a los dos casos que tienen circulación de corriente homopolar únicamente por aquel arrollamiento en estrella que está conectado a la fuente durante el ensayo. Los otros seis casos estandarizados corresponden a impedancias homopolares de cortocircuito, en los que puede haber circulación de corriente homopolar por dos o por tres arrollamientos. La determinación de las impedancias homopolares se basó en el uso de modelos lineales en dos dimensiones (2D), con la ayuda de un software basado en el método de los elementos finitos. La geometría tridimensional (3D) de estos transformadores no tiene simetrías que permitan una exacta representación 2D, por lo que fue necesario desarrollar modelos aproximados 2D para representar el comportamiento de estos equipos ante secuencia homopolar. En el caso de las impedancias homopolares magnetizantes, se comenzó realizando una comparación entre los resultados de modelos lineales 2D y 3D, con el fin de obtener las bases para el desarrollo de dos modelos aproximados 2D. En ambos modelos, para el cálculo de las dos impedancias homopolares magnetizantes (de alta tensión y de baja tensión) se requiere estimar el valor de tres parámetros auxiliares y de la permeabilidad magnética equivalente para el tanque. Con ambos métodos aproximados 2D fue posible obtener resultados precisos, pero uno de ellos se consideró más recomendable porque la estimación de los parámetros es más sencilla, la convergencia es más rápida y los errores son levemente menores. La medida del valor de las impedancias homopolares magnetizantes se realizó a varios valores de corriente, con el fin de tener en cuenta la no linealidad de estos valores. Se determinó una relación entre la permeabilidad equivalente del tanque y la corriente durante el ensayo, para transformadores con características similares a los analizados, que puede ser útil para determinar las impedancias homopolares magnetizantes cuando no hay valores medidos. Además, el método recomendado fue aplicado con una curva no-lineal para representar la permeabilidad del tanque y esta aproximación también ofrece resultados con una buena precisión. En el caso de las impedancias homopolares de cortocircuito, el método desarrollado tiene dos pasos: a) La determinación de las corrientes en los arrollamientos cortocircuitados; b) El uso del método 2D que se consideró recomendable en el caso de las impedancias homopolares magnetizantes, para aproximarse a los resultados de las geometrías reales 3D. La determinación de las corrientes en los arrollamientos cortocircuitados persigue hacer cero la tensión en bornas de dicho arrollamiento y se lleva a cabo mediante un método iterativo, aplicando densidades de corriente constantes en el modelo de cada arrollamiento. Los resultados obtenidos son precisos tanto en transformadores con shunts magnéticos adosados a las paredes del tanque como en transformadores sin ellos. Se demostró que la permeabilidad magnética equivalente del tanque tiene un cierto efecto en los resultados, pero también se demostró que se puede obtener una buena precisión usando un valor intermedio para este parámetro. Por otro lado, se demostró que las diferencias entre las geometrías 2D y 3D tienen poco efecto en los resultados de las reactancias y que se pueden obtener resultados bastante precisos omitiendo dicha diferencia; sin embargo, las diferencias entre las geometrías 2D y 3D deben ser consideradas para una correcta estimación de las potencias activas durante los ensayos. Aunque los shunts magnéticos adosados a las paredes del tanque no están distribuidos de manera continua en la periferia del tanque, se demostró que no es necesario encontrar un valor preciso de su espesor equivalente para la simulación 2D ya que se puede estimar un valor bastante preciso de las impedancias homopolares de cortocircuito usando un amplio rango de espesores equivalentes de estos shunts magnéticos. De lo dicho anteriormente se desprende que los problemas principales a resolver son distintos para el caso de determinar las impedancias homopolares magnetizantes y para el caso de determinar las impedancias homopolares de cortocircuito. En el caso de la determinación de las impedancias homopolares magnetizantes, los problemas principales son la no linealidad del tanque y la fuerte dependencia de los resultados con la geometría tridimensional, lo que obliga a encontrar una equivalencia entre estudios 2D y 3D. En el caso de la determinación de las impedancias homopolares de cortocircuito, el problema principal es la obtención de la corriente en los diferentes arrollamientos cortocircuitados; en este caso, la relación entre las geometrías 2D y 3D únicamente es importante para determinar el consumo de potencia activa durante estos ensayos.