Consideraciones acerca de la utilización de arrollamientos de estabilización en transformadores estrella-estrella

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dc.contributor.advisor Burgos Díaz, Juan Carlos
dc.contributor.author Ramos Gómez, Ángel
dc.date.accessioned 2016-04-12T14:35:32Z
dc.date.available 2016-04-12T14:35:32Z
dc.date.issued 2015-10
dc.date.submitted 2016-01-11
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/22747
dc.description.abstract El uso de los arrollamientos de estabilización se introdujo desde el comienzo de los sistemas eléctricos de potencia trifásicos con el objetivo de evitar algunos problemas detectados en la operación de transformadores y autotransformadores con conexión en estrella. La utilización de los arrollamientos de estabilización llegó incluso a convertirse en un requerimiento obligatorio en algunas legislaciones locales, al tiempo que aplicaciones auxiliares adicionales se encontraron para estos arrollamientos. A pesar de que desde hace mucho tiempo se ha señalado la necesidad de un análisis critico respecto a la necesidad y la conveniencia de utilizar los arrollamientos de estabilización en los transformadores estrella-estrella, especialmente en los diseños de núcleos trifásicos de tres columnas, sigue constituyendo una práctica muy habitual que muchas empresas eléctricas incorporen estos arrollamientos en las especificaciones de los transformadores estrella-estrella en base a la tradición, sin cuestionarse la necesidad real de los mismos. No se trata de una cuestión menor dado que la incorporación de los arrollamientos de estabilización, además de suponer un mayor coste económico del transformador, incorpora una mayor complejidad en el diseño y un mayor riesgo de fallo del equipo, especialmente como consecuencia del comportamiento electrodinámico del mismo ante cortocircuitos asimétricos. La literatura y normativa técnica disponible en la actualidad no aporta conclusiones claras y concretas, existiendo argumentos contrapuestos en algunas cuestiones y falta de detenimiento en otras. La presente tesis doctoral tiene como principal objetivo definir y aplicar una metodología que permita determinar la necesidad real de utilizar arrollamientos de estabilización en los transformadores estrella-estrella de núcleo trifásico de tres columnas mediante un análisis global y detallado de los distintos factores que intervienen en la evaluación de dicha necesidad, cubriendo la carencia que, en este sentido, existe en la literatura y normativa técnica de los transformadores. Una correcta toma de decisión respecto a la necesidad de los arrollamientos de estabilización requiere un detallado entendimiento del comportamiento ante secuencia homopolar de los transformadores estrella-estrella, dado que la presencia o ausencia de dichos arrollamientos tiene un impacto muy significativo sobre las características homopolares del transformador. Por este motivo, en la tesis doctoral se intenta avanzar en la identificación de los modelos de circuito equivalente y los ensayos necesarios para disponer de una representación del comportamiento de estos transformadores ante secuencia homopolar que conjuguen una precisión razonable con una aplicación sencilla. La adecuada comprensión del problema requiere considerar en el análisis otros aspectos de gran relevancia, no abordados suficientemente en la literatura técnica, como la forma de conexión a tierra de los neutros de los arrollamientos primario y secundario de los transformadores estrella-estrella (puestos a tierra o aislados), la influencia de las pantallas magnéticas o la disposición interna de los arrollamientos. La posibilidad de prescindir del arrollamiento de estabilización en los transformadores estrella-estrella requiere analizar cuidadosamente el funcionamiento del transformador respecto a los terceros armónicos de corriente y de tensión derivados del comportamiento no lineal de la corriente de magnetización, valorar el riesgo de calentamiento de la cuba en situaciones de desequilibrio de las corrientes circulantes por el transformador y evaluar el impacto de la disminución de la impedancia homopolar en el conjunto de la red eléctrica de cara a garantizar la detección y eliminación eficaz de las corrientes de falta durante cortocircuitos asimétricos y el mantenimiento de un sistema eficazmente puesto a tierra. Todos estos aspectos, junto con la cuantificación del incremento de las corrientes de cortocircuito que tienen lugar como consecuencia de la presencia de los arrollamientos de estabilización, se han analizado en el curso de los trabajos de investigación desarrollados en la presente tesis doctoral mediante ensayos experimentales y simulaciones. Estos ensayos y simulaciones se han realizado en el contexto real de una empresa de distribución de electricidad, en base a su normalización de red y de transformadores. Sin embargo, la metodología general propuesta, así como la amplia casuística de situaciones estudiadas, permite generalizar su uso a redes eléctricas diferentes de las consideradas en la presente tesis y aplicar las conclusiones extraídas a la toma de decisión respecto a la necesidad y conveniencia de utilizar arrollamientos de estabilización en transformadores estrella-estrella de núcleo trifásico de tres columnas.
dc.description.abstract Delta stabilizing windings have been used since early electric power system development to avoid some of the network operation drawbacks of using wye connections in power transformers and autotransformers. Utilization of stabilizing windings even became mandatory under some local regulations, and other auxiliary applications were also found for these windings. Although the need for critical analysis of the decision to include a stabilizing winding in wye-wye connected transformers, particularly in relation to three-phase three-legged transformers, was pointed out many years ago, many power companies still maintain this practice for reasons of tradition without analyzing the decision. This is not a minor issue as stabilizing windings utilization, in addition to involve a higher economic cost of the transformer, suppose a more complex design and a higher failure probability for the equipment, especially due to the electrodynamic behavior under asymmetric short-circuits. The currently available technical bibliography and standards of transformers do not provide clear and specific conclusions, with conflicting arguments in some issues and lack of depth in others. The main objective of this PhD dissertation is to conduct a comprehensive and detailed analysis of the factors that determine the actual need for stabilization windings in three-phase three-legged wye-wye transformers, covering the lack about this aspect that exists in the technical bibliography and standards of transformers. Making an appropriate decision about the need for stabilizing windings requires deep understanding of the wye-wye transformer’s zero-sequence performance, since the presence or absence of such windings has a very significant impact on zero-sequence characteristics. For this reason, this PhD dissertation paid special attention to the identification of the equivalent circuit models and the tests necessary to achieve a reliable representation of the zero-sequence behavior of these transformers, combining a reasonable accuracy with a simple application. Besides the effect of stabilizing windings, a proper understanding of this problem must take into account other relevant aspects as the means of grounding of the primary and secondary neutrals of the wye-wye transformers, the influence of magnetic shunts or the internal arrangement of windings. The omission of stabilizing windings in wye-wye transformers requires careful analysis of third-harmonics in currents and voltages derived from non-linear behavior of magnetizing currents, assess tank overheating hazard in the event of unbalanced load conditions and evaluate the impact of decreasing the zero-sequence impedance in the whole grid in order to maintain an effectively grounded system and to guarantee effective detection and removal of fault currents in the event of asymmetric short-circuits. All these aspects, along with the quantification of the increase in short-circuit currents which occur due to the presence of the stabilizing windings, have been analyzed in the course of the research work carried out in this PhD dissertation by means of experimental tests and simulations. These tests and simulations were performed in the actual context of a power utility, based on its own network and transformer standardization. Nevertheless, the proposed overall methodology based on the results obtained in the research work and the wide casuistry of studied situations, may be generalize and apply to the appropriate decision-making about the need and convenience of using stabilizing windings in three-legged wye-wye transformers
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso spa
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Sistemas eléctricos de potencia
dc.subject.other Transformadores estrella-estrella
dc.subject.other Arrollamientos de estabilización
dc.subject.other Núcleos trifásicos de tres columnas
dc.title Consideraciones acerca de la utilización de arrollamientos de estabilización en transformadores estrella-estrella
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Electrónica
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática
dc.description.responsability Presidente: José Jesus Fraile Mora.- Secretario: Felipe Corcoles López.- Vocal: Xosé Manuel López Fernández
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Eléctrica
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