Distribution transformer

A distribution transformer or servicetransformer is a transformer that provides a final voltage reduction in the electric power distribution system, stepping down the voltage used in the distribution lines to the level used by the customer.^[1] The invention of a practical, efficient transformer made AC power distribution feasible; a system using distribution transformers was demonstrated as early as 1882.^[2]

If mounted on a utility pole, they are called pole-mount transformers. When placed either at ground level or underground, distribution transformers are mounted on concrete pads and locked in steel cases, thus known as distribution tap pad-mounted transformers.

Distribution transformers typically have ratings less than 200 kVA,^[3] although some national standards allow units up to 5000 kVA to be described as distribution transformers. Since distribution transformers are energized 24 hours a day (even when they don't carry any load), reducing iron losses is vital in their design. They usually don't operate at full load, so they are designed to have maximum efficiency at lower loads. To have better efficiency, voltage regulation in these transformers is kept to a minimum. Hence, they are designed to have small leakage reactance.^[4]

Distribution transformers are classified into different categories based on factors such as:^[5]

• Mounting location – pole, pad, underground vault
• Type of insulation – liquid-immersed or dry-type
• Number of phases – single-phase or three-phase
• Voltage class
• Basic impulse insulation level (BIL).

Los transformadores de distribución se ubican normalmente en la acometida eléctrica , donde los cables van desde un poste de servicios públicos o líneas eléctricas subterráneas hasta las instalaciones del cliente. Se utilizan con frecuencia para el suministro eléctrico de instalaciones fuera de los núcleos urbanos, como casas aisladas, granjas o estaciones de bombeo , con tensiones inferiores a 30 kV. Otra aplicación es el suministro eléctrico de la catenaria de ferrocarriles electrificados con corriente alterna. En este caso, se utilizan transformadores de distribución monofásicos. ^{[ 6 ]}

El número de clientes alimentados por un único transformador de distribución varía según la cantidad de clientes en un área. En áreas urbanas, varios hogares pueden recibir suministro eléctrico de un solo transformador; dependiendo de la tensión de la red, la distribución rural puede requerir un transformador por cliente. Un gran complejo comercial o industrial tendrá varios transformadores de distribución. En áreas urbanas y barrios donde las líneas de distribución primaria son subterráneas, los transformadores de plataforma y las cajas metálicas con cerradura se montan sobre una base de hormigón. Muchos edificios grandes reciben servicio eléctrico a la tensión de distribución primaria. Estos edificios tienen transformadores propiedad del cliente en el sótano para la reducción de tensión. ^{[ 6 ]}

Los transformadores de distribución también se encuentran en las redes de recolección de energía de los parques eólicos , donde elevan la potencia de cada turbina eólica para conectarla a una subestación que puede estar a varios kilómetros de distancia. ^{[ 7 ]}

Los transformadores montados en postes y en plataformas convierten la alta tensión primaria de las líneas de distribución aéreas o subterráneas a la tensión secundaria o de utilización más baja dentro del edificio. Los cables de distribución primaria utilizan el sistema trifásico . Las líneas de distribución principales siempre tienen tres cables de fase 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 de fase. Cuando solo existe un cable de fase, siempre se proporciona un neutro como ruta de retorno. Los primarios suministran energía a las tensiones de distribución estándar utilizadas en la zona; estas varían desde tan solo 2,3 kV hasta aproximadamente 35 kV dependiendo de las prácticas y normas de distribución locales, a menudo se utilizan 11 kV (  sistemas de 50 Hz) y 13,8 kV (  sistemas de 60 Hz), pero muchas otras tensiones son estándar. Por ejemplo, en Estados Unidos , la tensión más común es de 12,47 kV, con una tensión de línea a tierra de 7,2 kV. ^{[ 8 ]} Tiene una tensión de fase a neutro de 7,2 kV, exactamente 30 veces los 240 V del lado secundario de fase dividida .

Secundario

Los devanados secundarios de baja tensión están conectados a tres o cuatro terminales en el lateral del transformador. ^{[ 9 ]}

• En las residencias y pequeños negocios de Norteamérica, el secundario suele ser un sistema bifásico de 120/240 voltios. El devanado secundario de 240 V tiene una toma central, y el cable neutro central está conectado a tierra, lo que hace que los dos conductores de los extremos estén "activos" en comparación con la toma central. Estos tres cables bajan por la acometida eléctrica hasta el contador y el panel de servicio del edificio . Conectar una carga entre el cable activo y el neutro proporciona 120 voltios, que se utilizan para los circuitos de iluminación. Conectar ambos cables activos proporciona 240 voltios para cargas pesadas como aires acondicionados, hornos, secadoras y estaciones de carga de vehículos eléctricos . A veces, se conectan dos transformadores monofásicos a un solo poste de servicios públicos con sus secundarios cableados en paralelo. ^{[ 10 ]} Esto permite una mayor capacidad (monofásica) que la que se podría obtener con cualquiera de los transformadores por separado.

• En Europa y otros países que utilizan este sistema, el secundario suele ser el sistema trifásico 400Y/230. Hay tres devanados secundarios de 230 V, cada uno de los cuales recibe energía de un devanado primario conectado a una de las fases primarias. Un extremo de cada devanado secundario está conectado a un cable neutro, que está conectado a tierra. El otro extremo de los tres devanados secundarios y el neutro se llevan a través de la acometida eléctrica hasta el panel de servicio. Las cargas de 230 V se conectan entre cualquiera de los cables trifásicos y el neutro. Debido a que las fases están desfasadas 120 grados entre sí, la tensión entre dos fases cualesquiera es √3 * 230 V = 400 V, en comparación con los 2 * 120 V = 240 V del sistema bifásico norteamericano. Si bien la energía trifásica es prácticamente desconocida en las viviendas unifamiliares norteamericanas, es común en Europa para cargas pesadas como cocinas, aires acondicionados y cargadores de vehículos eléctricos.

Los transformadores de distribución constan de un núcleo magnético hecho de láminas de acero al silicio ( acero para transformadores ) apiladas y pegadas con resina o sujetas con flejes de acero, con los devanados primario y secundario enrollados alrededor de ellas. Esta construcción del núcleo está diseñada para reducir las pérdidas en el núcleo y la disipación de energía magnética en forma de calor, una causa económicamente importante de pérdida de potencia en las redes eléctricas. Dos efectos causan pérdidas en el núcleo: la pérdida por histéresis en el acero y las corrientes parásitas . El acero al silicio tiene bajas pérdidas por histéresis , y la construcción laminada evita que fluyan corrientes parásitas en el núcleo, lo que disipa potencia en la resistencia del acero. La eficiencia de los transformadores de distribución típicos está entre aproximadamente el 98 y el 99 por ciento. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Cuando se fabrican grandes cantidades de transformadores con diseños estándar, un núcleo bobinado en forma de C es económico de fabricar. Una tira de acero se enrolla alrededor de un molde, se prensa para darle forma y luego se corta en dos mitades en forma de C que se vuelven a ensamblar sobre los devanados de cobre. ^{[ 13 ]}

Las bobinas primarias se enrollan con alambre de cobre o aluminio esmaltado , y las secundarias de alta corriente y baja tensión se enrollan con una cinta gruesa de aluminio o cobre. Los devanados se aíslan con papel impregnado de resina. El conjunto completo se hornea para curar la resina y luego se sumerge en un tanque de acero con recubrimiento de polvo , que posteriormente se llena con aceite de transformador (u otro líquido aislante), inerte y no conductor. El aceite de transformador enfría y aísla los devanados y los protege de la humedad. El tanque se evacua temporalmente durante la fabricación para eliminar cualquier resto de humedad que pudiera causar arcos eléctricos y se sella contra la intemperie con una junta en la parte superior.

Anteriormente, los transformadores de distribución para uso interior se llenaban con un líquido de bifenilos policlorados (PCB). Debido a que estos químicos persisten en el medio ambiente y afectan negativamente a los animales, se han prohibido. Se utilizan otros líquidos resistentes al fuego, como las siliconas, cuando se requiere el uso de un transformador lleno de líquido en interiores. Ciertos aceites vegetales se han utilizado como aceite para transformadores; estos tienen la ventaja de un alto punto de inflamación y son completamente biodegradables en el medio ambiente. ^{[ 14 ]}

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. ^{[ 15 ]} Los transformadores montados en postes pueden tener orejetas que permiten el montaje directo a un poste o pueden montarse en brazos transversales atornillados al poste. Los transformadores aéreos, de más de aproximadamente 75 kVA, pueden montarse en una plataforma sostenida por uno o más postes. ^{[ 16 ]} Un servicio trifásico puede usar tres transformadores idénticos, uno por fase.

Los transformadores diseñados para aplicaciones subterráneas pueden diseñarse para inmersión periódica, especialmente en áreas con niveles freáticos altos o riesgo de inundaciones. ^{[ 17 ]}

Los transformadores de distribución pueden incluir un cambiador de tomas en vacío, que ajusta ligeramente la relación entre la tensión primaria y la secundaria para que la tensión del cliente se encuentre dentro del rango deseado en líneas largas o con mucha carga.

Los transformadores de montaje en pedestal cuentan con carcasas metálicas seguras, atornilladas y conectadas a tierra para evitar el acceso no autorizado a las partes internas con tensión. La carcasa también puede incluir fusibles, interruptores de aislamiento, aisladores pasamuros y otros accesorios, según se describe en las normas técnicas. Los transformadores de montaje en pedestal para sistemas de distribución suelen tener una potencia de entre 100 y 2000 kVA, aunque también se utilizan unidades de mayor tamaño.

En Estados Unidos, los transformadores de distribución suelen instalarse al aire libre sobre postes de madera.

En Europa, lo más común es ubicarlos en edificios. Si las líneas de alimentación son aéreas, parecen torres. Si todas las líneas que llegan al transformador son subterráneas, se utilizan pequeñas construcciones. En zonas rurales, a veces los transformadores de distribución se montan sobre postes, que suelen ser de hormigón o hierro debido al peso del transformador.

• Casquillo (eléctrico)
• Tipos de transformadores
• transformador de corriente
• Monitor de transformador de distribución

• Bakshi, VBUA (2009). Transformadores y máquinas de inducción . Publicaciones técnicas. ISBN 9788184313802. Consultado el 14 de enero de 2014 .
• De Keulenaer, Hans; Chapman, David; Fassbinder, Stefan; McDermott, Mike (2001). El alcance del ahorro energético en la UE mediante el uso de transformadores de distribución eléctrica de alta eficiencia (PDF) . 16.ª Conferencia y Exposición Internacional sobre Distribución de Electricidad (CIRED 2001). Institution of Engineering and Technology. doi : 10.1049/cp:20010853 . Consultado el 10 de julio de 2014 .
• Harlow, James H. (2012). Ingeniería de transformadores de potencia eléctrica, tercera edición, volumen 2. CRC Press. ISBN 978-1439856291.
• Pansini, Anthony J. (2005). Guía de sistemas de distribución de energía eléctrica . The Fairmont Press, Inc. ISBN 088173506X.
• Shoemaker, Thomas M.; Mack, James E. (2012). Manual del liniero y del técnico de cables (12.ª  ed.). McGraw Hill. ISBN 9780071742580.