Este documento describe el desarrollo de una herramienta de diseño por software para transformadores secos. La herramienta tiene en cuenta las diferencias constructivas entre los transformadores secos y los convencionales sumergidos en aceite, y agiliza el proceso de diseño. El documento explica las etapas de implementación del software y presenta un ejemplo de aplicación de la herramienta.

1. Scientia et Technica Año X, No 26, Diciembre 2004. UTP. ISSN 0122-1701 19
Fecha de Recepción: 28 Septiembre 2004
Fecha de Aceptación: 29 Noviembre 2004
HERRAMIENTA ALTERNATIVA DE DISEÑO PARA TRANSFORMADORES SECOS
RESUMEN
Debido a las ventajas que presentan los transformadores secos en comparación
con los transformadores sumergidos en aceite, se requieren herramientas de
diseño que contemplen las diferencias constructivas de éstos con los
transformadores normales, y que permitan además, obtener los resultados de
forma rápida y sencilla. Por este motivo, se implementó una alternativa de
diseño por software que cumpla las normativas existentes y agiliza notablemente
el proceso. En este artículo se describen las etapas de implementación y se
presenta un ejemplo de aplicación de la herramienta de diseño.
PALABRAS CLAVES: Transformador seco, herramienta de diseño.
ABSTRACT
The advantages of dry type transformer design compared to oil type transformer
are significant. Therefore dry transformers requires design tools which take into
account its constructive differences, and in addition, which have the capability to
deliver results in a easy and quickly way. According to the above exposed, a dry
power transformer design tool has been developed in order to meet the
standards and to improve the design process. In this paper, the basic structures
of the developed software and an application example are presented.
KEYWORDS: Dry type transformer, software tool.
SANDRA MILENA PÉREZ
LONDOÑO*
Ingeniero Electricista, M.Sc (c)
saperez@utp.edu.co
JUAN JOSÉ MORA FLÓREZ*
Ingeniero Electricista, Ph.D. (c)
jjmora@ohm.utp.edu.co
AUGUSTO CÉSAR RUEDA
MEDINA
Estudiante X semestre de Ingeniería
Eléctrica
aucer@ohm.utp.edu.co
*Profesor
Universidad Tecnológica de Pereira
Grupo de Planeamiento de
Sistemas Eléctricos
1. INTRODUCCIÓN
Históricamente, los transformadores sumergidos en aceite
han sido la opción más utilizada en la red eléctrica, pero,
debido a algunos problemas asociados con el manejo
ambiental, la alta probabilidad de incendio, el control de
fugas y el mantenimiento general, han motivado la
evolución y utilización de los transformadores tipo seco
en zonas tales como: centros comerciales, edificios,
hospitales, entre otros.
Este tipo de transformador utiliza el aire como medio
aislante y por tal razón la temperatura de los devanados
suele ser mayor que en los transformadores sumergidos
en aceite. El medio de aislamiento, por tanto, requiere
para su construcción de materiales especiales que
soportan altas temperaturas (220°C), que además sean
resistentes a la humedad y sean autoextinguibles.
En Colombia existen empresas fabricantes de
transformadores de reconocida experiencia, obtenida
durante varios años de permanencia en el mercado. Una
de ellas es “Transformadores Tamayo Puerta Ltda.”, la
cual ha fabricado transformadores de distribución durante
25 años en la región. En conjunto con esta empresa y la
facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad
Tecnológica de Pereira, se desarrolló un proyecto de
investigación, relacionado con transformadores
sumergidos en aceite [1], cuyo objetivo era la
elaboración de alternativas de diseño para este tipo.
Debido a los resultados obtenidos del anterior proyecto y
al interés por parte de la empresa de incursionar en el
área de diseño y construcción de transformadores secos,
debido a su creciente utilización en el mercado, se realizó
recientemente el proyecto [2], el cual se expone en el
presente articulo.
En los siguientes ítems se mostrarán los aspectos técnicos
y de diseño que se han tenido en cuenta para la
elaboración de la herramienta de diseño aquí presentada.
2. ASPECTOS TEÓRICOS FUNDAMENTALES
En todo proceso de conversión de energía
electromagnética se presentan pérdidas, entre ellas las
debidas a la disipación de energía en forma de calor. El
transformador no es ajeno a este fenómeno y por lo tanto
es necesario utilizar un medio refrigerante para disipar las
altas temperaturas presentes en él y así evitar su mal
desempeño, como también la reducción de su vida útil
[3]. El medio de refrigeración es el que diferencia un
transformador sumergido en liquido de un transformador
seco, ya que el primero utiliza aceite y el segundo aire
[4]. En un transformador tipo seco se presentan
temperaturas internas más altas que en los
transformadores convencionales.
En el mercado actual, los principales tipos de
transformadores tipo seco son:
• Transformador tipo seco encapsulado en resina:
Aquel en el cual los devanados se encuentran
completamente recubiertos, para su protección, por
una masa de resina con una carga mineral.
• Transformadores tipo seco abierto: Transformador en
el que los devanados están en contacto directo con el
aire.

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• Transformador tipo seco sumergido en gas: Es un
transformador tipo seco, abierto e instalado en un
recipiente a presión sellado herméticamente con
gases, que proporcionan el medio dieléctrico.
• Transformador tipo seco VP: Es un transformador
tipo seco abierto que usa una resina de silicón. Es
especialmente usado en aplicaciones militares.
Es importante aclarar que los diseños que se manejan en
el programa desarrollado son para el tipo seco abierto.
2.1 Forma constructiva
Para el diseño de los transformadores secos, se utilizará
la disposición de las bobinas con respecto al núcleo, de
tipo columna o núcleo, debido a que este tipo de
transformador tiene un tamaño más reducido que el de
los transformadores tipo acorazado, en el cual el núcleo
abraza las bobinas. Esta diferencia de tamaño permite un
ahorro de espacio considerable, aspecto importante si se
tiene en cuenta que los transformadores secos son más
robustos que los transformadores convencionales de igual
potencia. En la figura 1 se presenta un esquema de un
transformador trifásico tipo núcleo.
Figura 1. Transformador trifásico tipo núcleo.
En cuanto a la distribución de las bobinas con respecto al
núcleo, estas pueden ubicarse en dos formas, tal como se
presenta en la figura 2, así:
• Distribuida: Es aquella donde los devanados del
primario y del secundario están en progresión radial
con relación a un núcleo común.
• Concéntrica: Aquella en la que los devanados
primario y secundario están subdivididos en discos e
intercalados en el mismo núcleo.
Figura 2. Devanados concéntricos y distribuidos en un
transformador
Los devanados concéntricos que envuelven el núcleo
pueden ser de dos tipos, dependiendo de las tensiones a la
que están expuestos, así:
• Devanado concéntrico circular: Usado en niveles de
tensión inferiores a 1 KV.
• Devanado concéntrico en galleta: Utilizado para
niveles de tensión superiores a 1 KV debido a la
característica que permite dividir el nivel de tensión
en niveles más pequeños, para simplificar el
aislamiento en sentido axial.
La distribución de los devanados tipo concéntrica
circular, es la utilizada en el programa como producto de
esta investigación. La razón de esta selección es debida a
los niveles de tensión para los que se realizan estos
diseños (clase 1kV).
Debido a los diferentes niveles de tensión que se
presentan en la parte activa de los transformadores, se
necesitan sistemas de aislamiento entre el devanado de
baja tensión y tierra, entre los devanados de baja y alta
tensión, entre las capas de los devanados de baja y alta
tensión como el cabezal de baja y alta tensión y entre
espiras de los devanados. El aislamiento de los
devanados del transformador tipo seco se realiza
utilizando materiales sintéticos con aislamientos de clase
H [4], que soportan temperaturas hasta de 185 ºC, tales
como el asbesto y el NOMEX.
El calor producido por las pérdidas en los materiales
activos (núcleo magnético y arrollamientos) y las
pérdidas adicionales, se concentra en las bobinas de alta y
baja tensión del transformador. Este exceso de
temperatura debe ser totalmente disipado al ambiente a
través de medios que transportan el calor. Estos son el
aceite u otro líquido aislante y refrigerante, si se trata de
un transformador sumergido; o aire si el transformador es
de tipo seco. En este último caso el aire debe evacuar el
calor generado por las bobinas al ambiente mediante
ductos de refrigeración.
Los ductos de refrigeración se implementan entre capas
y/o secciones de la bobina, mediante espaciadores que se
ubican en los frentes de las bobinas para que no afecten
el ancho de la ventana del núcleo, ver figura 3.
Figura 3. Transformador seco tipo abierto
Los espaciadores utilizados son en fibra de vidrio, debido
a que soportan altas temperaturas y grandes esfuerzos
mecánicos, lo que los hacen ideales para ser utilizados en
transformadores secos.

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El encerramiento es una cubierta o barrera circundante
usada para proteger el equipo contenido y para prevenir
al personal de contactos accidentales con partes vivas o
activas. En la norma ANSI C57.12.50 [5], sección 5.8, se
especifica el espacio de las aberturas de ventilación de las
paredes laterales del encerramiento, además de las
distancias a considerar entre los bordes del transformador
y las paredes del encerramiento.
3. DESARROLLO DEL PROGRAMA
El programa de diseño implementado, se realizó en
LabVIEW, sistema de desarrollo basado en
programación gráfica, que facilita la implementación de
este tipo de aplicaciones.
El programa ofrece ventajas, especialmente agilidad al
proceso de diseño de transformadores secos ya que
permite obtener los resultados de forma rápida y sencilla.
El programa es de fácil utilización porque tiene una
interfaz “amigable” que hace muy fácil para el usuario la
introducción de datos y el análisis de los resultados.
Además, cuenta con la opción de realizar varios diseños
los cuales pueden ser enviados a una hoja de cálculo de
Excel para mejor evaluación de los resultados, otorgando
autonomía para escoger el diseño que más se adapte a los
requisitos del diseñador.
3.1 Esquema del software
Un esquema funcional del software se presenta en la
figura 4.
Dimensionamiento
del núcleo
Datos de entrada
Diseño de
devanados
Cálculo de
pérdidas en el
núcleo
Cálculo de
pérdidas en
devanados
Cálculo área de
Refrigeración
Cálculo de
aislamientos
Figura 4. Esquema funcional del programa de diseño
Los principales módulos del software se describen a
continuación:
• Datos de entrada: El usuario ingresa los datos
nominales del transformador, así como la
identificación del tipo de conductor a utilizarse en las
bobinas, según la disponibilidad en bodega.
• Dimensionamiento del núcleo: Según los parámetros
definidos en el módulo anterior, el programa entrega
los resultados relacionados con la geometría del
núcleo y sus dimensiones (alto, ancho y espesor de
cada uno de los lazos que conformarán el núcleo).
• Cálculo de pérdidas en el núcleo: Son calculadas con
base en el peso del núcleo, factor de desperdicio, la
densidad de campo magnético definida como
parámetro de entrada y las curvas del material (para
este caso se utilizan láminas de silicio M4).
Al determinar las pérdidas por diseño, se deben comparar
con las establecidas en las normas técnicas [6], para
verificar el cumplimiento de las mismas.
• Diseño de devanados: Una vez determinadas las
dimensiones del núcleo y conocida la densidad de
corriente J, se determina la configuración de cada
una de las bobinas según el tipo de conductor
seleccionado inicialmente. Entre los datos calculados
en esta etapa se encuentran: Número de capas,
número de secciones, calibres de los conductores,
altura y ancho de la bobina, entre otros.
• Cálculo de aislamientos: Los tipos de aislamientos
calculados en esta etapa son: aislamientos entre
espiras, entre capas de espiras, entre bobinas y entre
bobinas y núcleo.
• Cálculo de pérdidas en los devanados: Las pérdidas
en el cobre son determinadas para su posterior
comparación con las establecidas por norma [6].
• Cálculo área de refrigeración: Para determinar el
área necesaria para disipar el calor, se parte de las
pérdidas en los devanados. Con base en esto se
ubican los espaciadores, que son elementos
localizados entre las capas de las bobinas y que
permiten que circule libremente el aire que las
refrigera. En este módulo se determina la ubicación y
la cantidad de espaciadores.
3.2 Interfaz del programa desarrollado
La interfaz del programa de diseño realizado en este
proyecto, se presenta en el panel frontal de la figura 5.
Éste cuenta con tres subdivisiones: a) Datos generales, b)
Tablas de datos y c) Resultados.
Figura 5. Panel frontal

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3.2.1 Datos Generales
En la opción de “Datos generales” de la figura 5, se
presenta la interface para el ingreso de los datos de inicio
para el diseño del transformador. Aquí el usuario ingresa
datos al programa tales como los voltajes de línea
nominales de alta y baja tensión, la potencia aparente en
kVA del transformador y la profundidad geométrica del
núcleo. Los demás datos tales como densidad de campo
magnético, factor de apilamiento, resistividad del cobre,
factor de desperdicio, conexión en el devanado de alta
tensión, conexión en el devanado de baja tensión, mínimo
valor del collarín en alta y baja tensión, tipo de sección
del conductor a utilizar en la construcción de los
devanados, peso específico del núcleo, densidad de
corriente mínima y máxima permisible, mínimo y
máximo valor de densidad de campo magnético e
intervalo de iteración, ya están preestablecidos en el
programa en valores estándar, pero se tiene la opción de
cambios en el caso en que el diseño lo requiera.
3.2.2 Tablas de datos
La opción “Tablas de datos” de la figura 6 tiene varias
subdivisiones para el ingreso de una base de datos
concerniente a tipos de conductores, características de los
aislamientos sólidos a utilizar y materiales utilizados en
la construcción del núcleo, información necesaria para el
desarrollo del diseño.
Figura 6. Tablas de datos
3.2.3 Resultados
La opción de resultados presentada en la figura 7 consta
de varias subdivisiones que proporcionan las dimensiones
necesarias para la fabricación de cada una de las partes
del transformador seco, en cuanto a núcleo, devanados,
aislamientos, refrigeración y encerramientos.
Figura 7. Resultados del diseño del transformador
4. EJEMPLO DE DISEÑO
Utilizando el programa desarrollado, se presenta el
diseño de un transformador seco 3φ, de 75 kVA, tipo baja
tensión-baja tensión 440/220V, para una frecuencia de 60
Hz, conexión de los devanados ∆-Y y disposición de los
devanados circular concéntrica.
4.1 Datos de entrada
Descripción Valor Unidad
Potencia aparente (S) 75 kVA
Voltaje primario (Vp) 440 V
Voltaje secundario (Vs) 220 V
Profundidad núcleo (BN) 150 mm
Factor de apilamiento (Fs) 0.93
Densidad de campo
magnético
15000 Gauss
Conexión Dy
Taps (+2, -2)*2.5%
ρρρρ del cobre 25ºC 7
10*24.17 −
cm
cmΩ.. 2
Factor de desperdicio (Fdpo) 1.2
Mínimo valor del collarín en
alta y baja
20 mm
Peso específico de lámina 3
10*65.7 −
Kg/cm
3
Densidad de corriente mínima
permisible
2 A/mm
2
Densidad de corriente máxima
permisible
2.5 A/mm
2
Sección de conductor para
ambos devanados
cuadrada
Tabla 1. Datos generales de entrada
4.2 Resultados
A continuación se presentan los resultados obtenidos con
el programa. Estos se dividen en datos para el núcleo y

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devanados, datos de aislamiento y datos para
refrigeración.
En la tabla 2a, se indican las características geométricas
del núcleo, así como las pérdidas en el hierro. Una de las
herramientas suministradas por el programa es la
posibilidad de exportar estos datos a una hoja de Excel,
donde se realiza la comparación entre las pérdidas
calculadas y las sugeridas por norma [6] de acuerdo a la
potencia del transformador, e informar al diseñador sobre
la posible discrepancia.
Para el caso del transformador trifásico de 75kVA, que se
está diseñando, las pérdidas según la norma no deben
superar los 370 W. Las pérdidas arrojadas por diseño
fueron de 276.74W.
En la tabla 2b, se indican las características constructivas
del devanado de baja tensión, además de las pérdidas en
el cobre de los devanados, las cuales también se
encuentran por debajo de 1412W, que son establecidas
por la norma [6] para un transformador de 75kVA,
trifásico.
Descripción Valor Unidad
Resultados del núcleo
Alto de la ventana del núcleo (NHV) 198.8 mm
Ancho de la ventana del núcleo
(NAV)
60.6 mm
Ancho de cada columna del núcleo
(AN)
126 mm
Pérdidas en el hierro 276.74 W
Peso del núcleo 230.62 Kg
Resultados devanado primario
Altura eléctrica 157.6 mm
Dimensión del collarín 29.9 mm
Número de espiras (Np) 70
Densidad de corriente de trabajo 2 A/mm
2
Densidad de corriente calculada 0.94 A/mm
2
Número total de secciones 5
Número de capas 5
Número de espiras por capa (primera
hasta penúltima capa)
14
Número de espiras de la última capa 14
Tipo de conductor
Sección
cuadrada
Ancho del conductor 3.09 mm
Características de cada espira
Número de secciones 1
Número de hileras de la sección 1 1
Número de conductores por hilera 3
Calibre del conductor 6
Número de conductores por espira 3
Tabla 2a. Resultados del cálculo del núcleo y devanado
primario
Descripción Valor Unidad
Resultados devanado secundario:
Altura eléctrica 156.6 mm
Dimensión del collarín 21.1 mm
Número de espiras (Ns) 19
Densidad de corriente de trabajo 2 A/mm
2
Densidad de corriente calculada 0.6 A/mm
2
Número total de secciones 2
Número de capas 2
Número de espiras por capa (primera
hasta penúltima capa)
10
Número de espiras de la última capa 9
Tipo de conductor
Sección
cuadrado
Ancho del conductor 3.559 mm
Características de cada espira
Número de secciones 1
Número de hileras de la sección 1 2
Número de conductores por hilera 4
Calibre del conductores 6
Número de conductores por espira 8
Pérdidas en el cobre de ambos
devanados referidas a 145ºC
751.54 W
Tabla 2b. Resultados del cálculo del devanado secundario
Según la configuración establecida, los voltajes de los
taps se indican en la tabla 3.
Tap Voltajes de taps (V)
1 418
2 429
3 440
4 451
5 462
Los resultados del aislamiento se presentan en la tabla 4.
Tabla 4. Resultados del cálculo del aislamiento
Descripción Valor Unidad
Aislamientos
Espesor de cada lámina de aislamiento entre
núcleo y secundario, entre secundario y
primario y entre primario y tierra
0.25 mm
Número de aislamientos entre núcleo y
secundario, entre secundario y primario y
entre primario y tierra
2
Espesor del aislamiento entre capas del
devanado primario
0.25 mm
Número de aislamientos entre capas del
devanado primario
1
Espesor del aislamiento entre capas del
devanado secundario
0.25 mm
Número de aislamientos entre capas del
devanado secundario
1
Tabla 3 Voltajes de los taps

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En la tabla 5, se presenta la configuración de los
espaciadores en los frentes de los devanados primario y
secundario. Por recomendación de la empresa de
transformadores y de acuerdo a la disponibilidad de los
espaciadores, el programa realiza la configuración de
estos, teniendo en cuenta dimensiones de 1.27 mm de
alto por 0.953 mm de ancho de cada uno.
Espaciadores en el devanado primario:
Entre capas 1 y 2: 12
Entre capas 2 y 3: 12
Entre capas 3 y 4: 12
Número de espaciadores entre secundario y
primario
12
Espaciadores en el devanado secundario:
Entre capas 1 y 2: 10
Tabla 5. Configuración de los espaciadores para refrigeración
Los datos suministrados en la pestaña de la figura 6,
corresponden a los espaciamientos que deben existir
entre la parte activa del transformador y las paredes del
encerramiento, según los niveles de tensión del
transformador, según [5].
Figura 6. Espacios mínimos requeridos del encerramiento
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los transformadores secos son más complejos que los
transformadores convencionales en cuanto a su
construcción, debido a que éstos necesitan una mayor
refrigeración, y para ello requieren de espaciadores
distribuidos de tal manera que disipen el calor producido
por los devanados, además de materiales aislantes
especiales. Es todo esto y la poca información acerca de
estos transformadores, lo que los hace diferentes de los
convencionales y justifican un diseño especial.
La estructura del programa elaborado le permite al
diseñador obtener de manera sencilla, las fichas técnicas
para la construcción de los transformadores secos que
cumplirán las normas existentes.
El programa permite optimizar el diseño de aspectos
constructivos, como el determinar la mejor distribución
de las espiras de cada bobina, en el caso en que se
necesite mas de un conductor por espira, permitiendo que
el ancho de la ventana del núcleo no sea superado por el
ancho de la bobina. Esto tiene como consecuencia un
impacto económico favorable en el proceso de
construcción.
Se recomienda el desarrollo de otros programas que
consideren el diseño de otros tipos de transformadores,
por ejemplo, transformadores clase 15 kV.
6. BIBLIOGRAFÍA
[1] GAMBA HINCAPIÉ, Alejandro; TAMAYO, Andrés
Felipe. Optimización del diseño de transformadores
de distribución inmersos en aceite de núcleo
enrollado usando un programa de computador para la
fábrica de transformadores Tamayo Puerta Ltda,
Tesis de grado, Facultad de Ingeniería Eléctrica,
Universidad Tecnológica de Pereira, 2003.
[2] ARISTIZABAL TORO, Andrés Felipe; RUEDA,
Augusto Cesar. Desarrollo de un programa de diseño
de trasformadores secos para la fabrica de
transformadores Tamayo Puerta Ltda, Tesis de
grado, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Universidad
Tecnológica de Pereira Pereira 2004.
[3] CORRALES MARTÍN, Juan. Teoría, cálculo y
construcción de transformadores, Quinta edición,
Labor, España, 1969.
[4] ICONTEC. NTC 317. Electrotecnia.
Transformadores de Potencia y distribución.
Terminología. Tercera actualización. Bogota 1998.
[5] ANSI C57.12.50. Requirements for Ventilated Dry-
Type Distribution Transformers. 1981
[6] ICONTEC. NTC 3435 –1991. Transformadores
trifásicos autorrefrigerados, tipo seco abierto y
encapsulados en resina, corriente sin carga, pérdidas
y tensión de cortocircuito. Bogota 1991.