Análisis de transitorios electromagnéticos en la energización de un transformador de potencia, caso de estudio simulado en el software ATP-EMTP.

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Abstract-- Un transformador de potencia es aquel que maneja
grandes magnitudes de voltaje y corriente VA, los cuales se
expresan en KVA [kilo voltio amperios] o en MVA [mega voltio
amperios].
Generalmente estos transformadores están instalados en
subestaciones para la distribución de la energía eléctrica,
efectuando la tarea intermediadora entre las grandes centrales de
generación y los usuarios domiciliarios o industriales; la cual
consiste en reducir los altos niveles de voltaje (con lo cual es
transmitida la energía) a magnitudes de voltaje inferiores, que
permiten derivar circuitos a los usuarios en medias o bajas
tensiones.
También se da una aplicación similar, en las grandes centrales
de generación, donde los transformadores de potencia, elevan los
niveles de voltaje de la energía generada a magnitudes de voltaje
superiores, con el objeto de reducir la corriente para transportar
la energía eléctrica en las líneas de transmisión, y evitar mayores
pérdidas.
Por todas estás funciones descritas, el transformador de
potencia es un equipo sumamante importante en los sistemas
eléctricos, razón por la cual es necesario comprender su
funcionamiento y posibles problemas que puedan presentarse con
el mismo.
I. INTRODUCCIÓN
L análisis de transitorios en los elementos eléctricos, sean
estos líneas o máquinas eléctricas, se hace mucho más
accesible y comprensible con el uso del software ATP-EMTP,
el cual nos da la posibilidad de entender ciertos fenómenos
que no se entenderían fácilmente, ya que por lo general los
estudios que realizamos son en estado estable lo cual no
muestra toda la realidad de los fenómenos que ocurren cuando
se trabaja con elementos que pueden almacenar energía y
cambiar sus propiedades de acuerdo con la aplicación; además
de que para realizar un análisis de transitorios
electromagnéticos la teoría realacionada es bastante compleja
de comprender, debido a la dificultad con las ecuaciones
diferenciales que se obtienen en la resolución de circuitos R-L-
C. Por estos motvios, a continuación mostraremos un análisis
completo de los fenómenos transitorios que se presentan en el
momento de energizar un transformador de potencia, tomando
como caso de estudio un autotransformador que corresponde a
la subestación Machala, en la cual cuentan con un banco de 3
autotransformadores monofásicos de tres devanados cada uno.
II. CORRIENTE DE INRUSH – ENERGIZACIÓN DE UN
TRANSFORMADOR
uando un Transformador es inicialmente conectado a una
fuente de voltaje AC, surge una corriente a través del
primario del Transformador llamada INRUSH CURRENT
(corriente de arranque). Esta corriente (INRUSH) es análogo a
las que presentan las corrientes cuando inician los motores
eléctricos cuando es conectada a la fuente de poder y es
causada por diferentes fenómenos.
Cuando un transformador se energiza por primera vez una
corriente transitoria de hasta 10 a 50 veces mayor que la
corriente nominal del transformador puede fluir durante varios
ciclos. Esto ocurre cuando el devanado primario está
conectado en todo el paso por cero de la tensión primaria.
Para grandes transformadores, corriente de arranque puede
durar varios segundos. Los transformadores toroidales pueden
tener hasta 80 veces más grande la irrupción, ya que el
magnetismo remanente es casi tan alto como el magnetismo de
saturación “de la histéresis del bobinado”. Esto es causado
porque el transformador siempre tendrá algún residuo de
intensidad de flujo y cuando el transformador ha revitalizado
el flujo entrante se sumarán al flujo actual ya que hará que el
transformador pase a saturación. Entonces sólo la resistencia
de los bobinados primarios y secundarios de la línea de alta
tensión está limitando la corriente.
Se pueden limitar estos efectos instalando resistencias o
Relés “transformer switching relay” en los transformadores
(esta última es la mejor opción).
El aumento de la corriente durante la energización es debida
a la saturación del núcleo. Cuando el flujo total en el núcleo
sobrepasa el valor de saturación, el flujo restante es
transportado a través del aire; en estas condiciones el núcleo se
comporta como un núcleo de aire y la inductancia shunt
equivalente vista por la fuente es mucho menor, ocasionando
un aumento de la corriente.
En la figura 1 se muestra una onda de corriente inrush tomada
a un transformador monofásico de 25 kVA; en ella se aprecia
un pico cuyo valor máximo corresponde a 36 veces la
corriente nominal.
Al momento de la energización la corriente puede
descomponerse en una componente sinusoidal de estado
Transitorios Electromagnéticos en la
Energización de un Transformador de Potencia
– Simulación en el software ATP-EMTP
B. Castillo, Estudiante, EPN, L. Cadena, Estudiante, EPN, A. López, Estudiante, EPN, and S.
Chávez, Estudiante, EPN
E
C

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estable y una aperiódica de DC, de tal forma que en t=0 la
resultante sea cero; de igual forma estas corrientes crean un
flujo de estado estable y uno aperiódico que al momento de la
energización se anulan.
Si además de los dos flujos creados por la corriente de
energización se toma en cuenta el flujo residual debido a la
remanencia del núcleo se puede llegar a tener un nivel de
sobresaturación de casi tres veces el valor en estado estable, lo
que repercutiría en una corriente de energización mayor aún
bajo régimen de cortocircuito.
Si se considera que la tensión aplicada varía
sinusoidalmente, independiente del régimen de funcionamiento
de la máquina y además se supone que el flujo total es una
función lineal de la corriente, éste puede ser representado por
la ecuación (2).
Figura 1. Onda de Corriente de inrush [1].
Podemos observar que la condición más crítica ocurre
cuando la energización se realiza al cruce por cero de la señal
de voltaje (A=0) y el flujo estable tiene igual signo que el flujo
residual.
Otros factores que pueden afectar la magnitud de la
corriente inrush corresponden a factores constructivos como el
área de la espira media de los devanados, ya que afecta
directamente el valor de saturación de la máquina.
Como la corriente inrush sólo aparece en el devanado
conectado a la fuente, causa un desequilibrio de los amperios-
vuelta del sistema. Debido a este desequilibrio se crea una
distribución asimétrica del campo de dispersión produciendo
un efecto similar al de tener los centros de acción magnéticos
de los devanados a diferente altura.
Ya que en transformadores de distribución el efecto de
magnetización durante la energización puede llegar a ser más
pronunciado que en transformadores de potencia se pueden
producir aumentos considerables de las fuerzas en ciertos
puntos de los devanados. Es por esta razón que este fenómeno
debe ser estudiado considerando simultáneamente el efecto de
magnetización de la máquina.
Magnetización: es el momento magnético por unidad de
volumen de material ferromagnético. La saturación completa
corresponde a la magnetización máxima (todos los momentos
magnéticos alineados completamente con el campo exterior
aplicado) [2].
Histéresis: es la tendencia de un material a conservar una de
sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado.
Podemos encontrar diferentes manifestaciones de este
fenómeno.
Figura 2. Magnetización en función de un campo aplicado[2].
En el periodo transitorio (caso de estudio), que se produce
durante la conexión del transformador, es posible que la
corriente de excitación alcance altos valores instantáneos, aún
mayores a la amplitud de la corriente de cortocircuito del
transformador. El conocimiento de la corriente transitoria es
importante en la determinación del máximo estrés mecánico
que podría ocurrir en los bobinados del transformador.
Saturacion: Es importante tomar en cuenta la saturación ya
que esta afecta, en el núcleo, principlamente al valor de la
inductancia mutua. El comportamiento de la saturación del
núcleo puede ser determinado mediante la curva de

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magnetización, obtenida mediante pruebas de circuito abierto
del transformador.
La curva de magnetización se obtiene de las gráficas de las
mediciones del voltaje rms en los terminales en función de las
mediciones de corriente de vacío del bobinado primario
cuando el secundario se ecnuentra abierto.
Con los criterios anteriormente mencionados analizaremos
las gráficas obtenidas de transitorios en las ondas de voltaje y
corriente en el primario del transformador, así como el análisis
pertinente en la aplicación de nuestro caso de estudio.
III. CASO DE ESTUDIO: TRANSFORMADOR
TRIDEVANADO 138/69/13.8 KV
Para realizar un análisis acerca de las corrientes resultantes
en la energización de un transformador, se ha procedido a
realizar la simulación en el software ATP-EMTP, para análisis
de transitorios. Esta simulación nos permitirá evaluar el
comportamiento del transformador cuando es energizado.
El transformador seleccionado es monofásico tridevanado,
cuyos datos fueron tomados de su reporte de pruebas [4]. En el
mismo reporte mencionado se indican los valores de las
capacitancias de aislamiento de los bushings y los devanados
del transformador. El generador es monofásico, cuyas
resistencias e inductancias son R=0.212 Ω y L=11.62mH
respectivamente.
PRODUCTO TRANSFORMADOR DE
POTENCIA
TIPO ODFZ-33300/138/
NUMERO 201211265
FECHA DE PRUEBA 2013/04/10
MARCA Chint Electrical Co., Ltd
Tabla 1. Datos del transformador [4].
Figura 3. Circuito implementado en ATP.
Con la finalidad de visualizar la corriente nominal del
transformador, y poder compararla con la de inrush en el
momento de energizarlo, se han colocado dos interruptores, la
simulación comienza con el un interruptor cerrado, para
similar el estado estable; posteriormente es abierto, y luego de
0.1 segundos es cerrado el segundo interruptor, con el cual se
producirá la corriente de inrush.
Figura 4. Ingreso de datos del transformador.
Figura 5. Curva de magnetización generada al ingresar los
datos del transformador.
Con los datos correctamente ingresados, procedemos a
realizar la simulación del transformador sin carga. Los
resultados obtenidos y mostrados en la gráficas serán los
voltajes en el primario, secundario y terciario del
transformador; así como su corriente en el lado del primario,
antes y después de la energización.

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Figura 6. Voltajes en los tres devanados del transformador.
Figura 7. Corriente en el primario del transformador sin
carga.
Como su puede observar en la figura 5, la corriente en
estado estable es de 1.6A, mientras que al momento de
energizar el transformador puede llegar hasta un valor de 60A.
También se puede observar el tiempo de duración de la
corriente de inrush, el cual va de 0.4 a 0.5 segundos, hasta que
la corriente vuelve a su valor nominal.
A continuación se muestra el resultado de la energización
del transformador con carga conectada en el secundario y
terciario, con lo cual se observa una disminución de los efectos
de la corriente de inrush.
Figura 8. Corriente en el primario del transformador, con
carga en el secundario y terciario.
IV. CONCLUSIONES
Es de vital importancia comprender el comportamiento no
lineal del núcleo de los transformadores al momento de su
energización, ya que se producen corrientes de magnitudes
muy altas, inclusive superiores en algunos casos, a las
corrientes de cortocircuito.
El análisis de los picos de corrientes en el momento de la
energización de un transformador, permitirá la correcta
calibración de protecciones, ya que puede ser detectada como
una corriente de cortocircuito, sin embargo, sin ser ese el caso,
el tiempo que tendrá lugar será pequeño hasta alcanzar
nuevaente su valor nominal.
Al realizar una simulación de la energización de un
transformador en el sotware ATP-EMTP, se puede
comprender la evolución de las ondas de corriente y voltaje en
el dominio del tiempo, lo cual nos permmite realizar un
análisis del nivel de los milisegundos o incluso menores, y así
evidenciar, que los efectos de apertura y cierre de
interruptores, no es una acción que hace que las ondas de
voltaje y corriente desaparezcan de manera instantánea, sino
que en muy cortos intervalos de tiempo pueden tener
variaciones, que pueden someter a los equipos a grandes
esfuerzos físicos, debido a los efectos magnéticos.
V. REFERENCIAS
[1] Revista Energía y computación, Artículo: <<Corriente Inrush>>, 2004.
[En línea]. Disponible:
https://googlegroups.com/group/electrica/attach/.../cte%20inrush2.pdf?.
[Ultimo acceso: 25 Mayo 2015]
[2] C. Ong, “Dynamic Simulation of Electric Machinery”, 1988
[3] H. Arcos, “Ciompendio de Dinamica de Maquinas Electricas”, 2015
[4] Chint Electrical, Test report N° 201311037, Product N° 201211265,
Product type ODFZ-33300/138, Abril 2013.
[5] R. Andrade, “Modelación y análisis de la protección dierencial de barras
de baja impedancia. Aplicación a la barra de 69KV de la S/E Machala”.
Proyecto de titulación. Escuela Politécnica Nacional. Quito, Mayo 2012.
VI. BIOGRAFIAS
Luis Cadena, nació en Atuntaqui, provincia de
Imbabura el 30 de marzo de 1990. Realizó sus
estudios secundarios en el Instituto Tecnológico
Superior Otavalo. Actualmente estudia en la
Escuela Politécnica Nacional en la Carrera de
Ingeniería Eléctrica. Áreas de interés: Diseño y
construcción de redes de Distribución Eléctrica,
alto voltaje y operación de subestaciones.
(stalincad90@hotmail.com)
Boris Castillo, Nació en Quito-Pichincha, el 30
de agosto de 1991, realizó sus estudios primarios
en la Escuela Fisco misional Cristo Rey de
Esmeraldas, sus estudios secundarios en el Colegio
Técnico Experimental Salesiano Don Bosco,
donde obtuvo el título de Bachiller Técnico
Industrial en la especialidad de Eléctrica-
Electrónica, actualmente estudia Ingeniería
Eléctrica en la Facultad de Eléctrica y Electrónica
de la Escuela Politécnica Nacional.
(Xboris50@hotmail.com)
Santiago Chávez nació en Quito – Ecuador el 11
de Febrero de 1988. Realizó sus estudios
secundarios en el colegio Nacional Experimental
Juan Pio Montufar, donde obtuvo el título de
bachiller en la especialidade Físico Matemático.
Ha obtenido la suficiencia en idioma inglés.
Actualmente es estudiante de la Facultad de
Ingeniería Eléctrica y electrónica de la Escuela
Politécnica Nacional. (tzanty11@hotmail.com)
Alex López, nació en Ibarra, provincia de
Imbabura, el 5 de diciembre de 1989. Realizó sus
estudios primarios en la Escuela Salesiana San
Juan Bosco, donde fue porta estandarte de la
bandera de la ciudad y de la bandera de la escuela.
Sus estudios secundarios los realizó en el Colegio
Salesiano Sánchez y Cifuentes de la misma
ciudad, donde fue escolta de la bandera de la
ciudad. Actualmente se encuentra culminando sus
estudios en la Escuela Politécnica Nacional en la
Carrera de Ingeniería Eléctrica, en la cual se
encuentra realizando su proyecto de titulación.
Áreas de interés: Estabilidad y Operación de Sistemas Eléctricos de Potencia,
Energías Renovables, multiples disciplinas deportivas y músico activo en
instrumentos de percusión. (alexbat89@yahoo.com)