Operación en paralelo de transformadores: reparto de carga, coincidencia de %Z y errores que ocasionan tiempos de inactividad a las empresas eléctricas

Hace dos veranos, una compañía eléctrica de Texas instaló un segundo transformador tipo pedestal de 1 000 kVA junto a una unidad existente para atender una línea residencial en crecimiento. El plan parecía sencillo: conectar en paralelo los secundarios sobre un bus común y dejar que ambas unidades compartieran la carga. En teoría, las placas de características coincidían. En la práctica, el primer intento de conexión generó un fuerte zumbido, la fusión de un fusible en el lado de baja tensión y una subestación fuera de servicio durante toda una tarde. La causa no fue un fallo del equipo, sino una discrepancia de impedancia que nadie había verificado antes de energizar el sistema. La operación en paralelo de transformadores parece sencillo en un diagrama unifilar, pero castiga rigurosamente los detalles que nadie verifica.

Por qué las compañías eléctricas y las plantas operan transformadores en paralelo

Operar dos unidades en un mismo bus ya no es un caso especial. La carga crece más rápido de lo que se puede pedir y entregar una sola unidad, por lo que los propietarios escalonan la capacidad: instalan un transformador ahora y conectan un segundo en paralelo cuando el alimentador se satura. Las compañías eléctricas conectan unidades en paralelo para retirar una de ellas para mantenimiento sin interrumpir el suministro a los clientes. Las plantas industriales conectan en paralelo unidades pequeñas porque dos transformadores compactos caben en un edificio donde no cabría una unidad grande. En todos los casos, el objetivo es el mismo: un solo bus, dos fuentes y una carga compartida automáticamente.

La dificultad: las unidades en paralelo solo reparten la carga tal como se espera si sus características eléctricas coinciden. Si se incumple una sola condición, el par deja de comportarse como un banco único de 2000 kVA y comienza a actuar como dos máquinas que luchan entre sí. Las fallas se manifiestan como sobrecalentamiento, disparo de fusibles y activación de protecciones —siempre en el peor momento, normalmente después de que la conversación sobre la garantía ya ha terminado.

 

Las condiciones para la operación en paralelo segura de transformadores

Se deben cumplir cinco condiciones antes de conectar dos transformadores a un mismo bus:

• Misma secuencia de fases y mismo desplazamiento de fase (grupo vectorial). Una unidad Dyn11 no podrá operar en paralelo con una unidad Dyn1 o Yyn0 sin provocar un problema de ángulo de fase.
• Relaciones de tensión iguales en la posición de derivación de operación, con una tolerancia aproximada del 0,5 %. Las posiciones de derivación fuera del valor nominal cuentan: ambas unidades deben estar en la misma derivación.
• Impedancias porcentuales muy similares, con una diferencia máxima aproximada del 10 % entre ellas. Cuanto más cercanos sean los valores de %Z, más equilada será la repartición de carga.
• Capacidad de cortocircuito y protección compatibles. El bus, los fusibles y los interruptores deben soportar la contribución combinada de cortocircuito de ambas unidades.
• Misma frecuencia del sistema y una referencia común: dos unidades diseñadas para redes distintas no deben conectarse al mismo bus.

Estas frases suenan como líneas de un libro de texto hasta que se presenta un proyecto real. Lo que nuestros ingenieros comparan antes de cualquier propuesta paralela son los valores medidos de los informes de ensayos rutinarios, no las promesas indicadas en la placa de características. El %Z medido y la relación medida en la toma de operación real son los factores que determinan si dos unidades pueden compartir un bus de forma segura.

 

Distribución de carga y %Z: Donde las matemáticas cobran importancia

La regla fundamental de la operación en paralelo de transformadores esa carga se divide por la impedancia, no por la buena voluntad. Para dos unidades de igual potencia nominal, la potencia aparente (kVA) que cada una transporta es inversamente proporcional a su propia impedancia porcentual (%Z): la unidad con menor impedancia asume la mayor parte de la carga. Considérense dos unidades de 1000 kVA cuyas placas indican impedancias del 5,5 % y del 6,5 %. Con una carga total del banco de 2000 kVA, la unidad del 5,5 % intenta transportar aproximadamente 1083 kVA —el 108 % de su potencia nominal—, mientras que la unidad del 6,5 % opera únicamente con 917 kVA. La unidad de menor impedancia alcanza el 100 % de su carga cuando la carga total del banco es de tan solo unos 1846 kVA, es decir, aproximadamente el 92 % de la capacidad total por la que el propietario pagó.

Banco: dos unidades de 1000 kVA	Impedancias desiguales (%Z: 5,5 % / 6,5 %)	Impedancias iguales (%Z: 5,5 % / 5,5 %)
Reparto de la carga a una potencia total de 2000 kVA	1083 kVA / 917 kVA (108 % / 92 %)	1000 kVA / 1000 kVA (100 % / 100 %)
Capacidad útil del banco antes de que una unidad alcance el 100 % de su carga	aprox. 1846 kVA (92 %)	2000 kVA (100 %)
Riesgo con carga total del banco	La unidad de menor %Z se sobrecalienta, envejece rápidamente y desconecta	Ninguno derivado de la impedancia

Por eso, dos unidades "idénticas" cuyas impedancias nominalizadas difieren en un punto completo reducen la capacidad del banco incluso antes de energizarlo. La solución no es usar un fusible más grande. Consiste bien en especificar impedancias %Z coincidentes —solicitar a ambas fábricas los valores medidos en la derivación principal—, o bien en aceptar una potencia nominal menor para el banco y declararlo explícitamente en los ajustes de protección.

Para reparto de carga entre transformadores , y la misma regla inversa se aplica a unidades de distinta potencia nominal: cada unidad aporta su propia potencia nominal en kVA dividida por su %Z, y el par comparte la carga proporcionalmente únicamente cuando los valores de %Z son similares. Cuando un cliente nos pregunta si una unidad de 750 kVA puede operar en paralelo con una de 1 000 kVA, nuestra respuesta comienza con la misma pregunta: ¿cuáles son las impedancias medidas y en qué derivación operarán ambas unidades?

 

Corriente circulante: ¿qué ocurre cuando las relaciones de transformación no coinciden?

Una diferencia en la relación de tensiones genera una corriente que circula entre dos unidades conectadas en paralelo, incluso cuando el bus no tiene carga alguna. Los ingenieros la denominan corriente circulante , y su valor está limitado únicamente por la suma de las impedancias de ambas unidades. Como verificación rápida, una diferencia de tomas del 2,5 % entre dos unidades con una impedancia del 5,5 % cada una produce aproximadamente 0,025 / (0,055 + 0,055) —unos 23 % de la corriente nominal circulando a vacío. Esa corriente provoca pérdidas, calienta ambos depósitos y eleva la temperatura de los devanados sin realizar trabajo útil alguno. Una diferencia de relación del 0,5 % mantiene la componente de corriente circulante a vacío cerca del 5 %; por eso la regla empírica indica "igualar la relación dentro de un margen de medio por ciento".

La discrepancia en la relación también distorsiona la distribución de carga bajo carga, empujando la unidad de mayor relación hacia la sobreexcitación y al par hacia un calentamiento desequilibrado. Los errores de ángulo de fase son aún peores: conectar unidades con grupos vectoriales incompatibles equivale efectivamente a un cortocircuito a través del bus, y la protección actúa antes de que alguien tenga tiempo de leer el medidor. Toda instalación en paralelo que hemos observado comienza con una verificación de secuencia de fases en el bus — no porque los ingenieros duden de las placas de identificación, sino porque encontrar un cable invertido es más económico que reemplazar un banco quemado.

 

Qué verificar en el informe de ensayo antes de la conexión en paralelo

Cada unidad que enviamos incluye un informe de ensayo rutinario con los valores numéricos necesarios para un estudio en paralelo. Antes de conectar un transformador nuevo en paralelo con equipos existentes, extraiga estos cinco valores de los informes de ambas unidades:

• %Z medido en la derivación principal, sobre la misma base — no la cifra garantizada en la placa de identificación.
• Relación de tensión medida en la derivación de funcionamiento, incluidas las derivaciones fuera de lo nominal que planea utilizar.
• Grupo vectorial o desplazamiento de fase, además de una verificación de secuencia de fases en el sitio antes del primer cierre.
• Pérdidas en vacío y pérdidas bajo carga: determinan la eficiencia del par y revelan diferencias en el núcleo o en los devanados.
• Posición y rango del cambiador de derivaciones, para que ambas unidades puedan ajustarse a la misma derivación y permanezcan allí.

Los procedimientos de ensayo que generan estos valores están definidos en la norma IEEE C57.12.90, el código estándar de ensayos para transformadores sumergidos en líquido , y las convenciones de potencia asignada y placa de características provienen de la norma IEC 60076-1, cuyo alcance figura en la Página web de la tienda electrónica de la IEC . Si un proveedor no puede proporcionar datos medidos de impedancia y relación para la unidad exacta, dicha unidad no debe conectarse en paralelo con ninguna otra.

 

Lo que verificamos en Ryan Electric antes de que se envíen dos unidades

Como socio de empresa conjunta de Eaton desde 2023, con certificaciones UL, CSA, IEEE y DEKRA en nuestro portafolio, una base de fabricación de 120 000 metros cuadrados y 37 patentes a nuestra espalda, tratamos los pedidos listos para operación en paralelo como un ejercicio documental, no como una promesa. Cuando un comprador nos indica que dos unidades funcionarán sobre un mismo bus, registramos el %Z medido en las tomas principal y fuera de la nominal, realizamos las pruebas rutinarias según la norma IEEE C57.12.90 y especificamos la impedancia y la relación en el informe de ensayo de forma que el ingeniero de obra pueda utilizarlos sin necesidad de llamar nuevamente a la fábrica.

El consejo práctico es breve. En la operación en paralelo de transformadores , el par es tan bueno como su parámetro peor emparejado; y dicho parámetro suele encontrarse en la letra pequeña de un informe de ensayo que nadie ha comparado. Si va a añadir una unidad a un banco existente, envíe junto con su solicitud de cotización (RFQ) el informe de ensayo de la unidad antigua, y nosotros realizaremos la comparación de impedancia y relación antes de emitirle nuestra cotización. Ese único paso ha detectado desajustes que habrían reducido la capacidad del banco o fundido un fusible desde el primer día.

¿Planea conectar en paralelo un transformador nuevo con equipos existentes? Envíe el informe de ensayo de su unidad existente y la potencia nominal del nuevo transformador mediante ryantransformers.com; nuestros ingenieros verificarán la compatibilidad de %Z, relación y grupo vectorial, y le cotizarán unidades que repartan la carga tal como lo promete el diagrama unifilar.

Sobre el autor — Este artículo fue redactado por el equipo de ingeniería de Ryan Electric, un socio conjunto de Eaton y fabricante certificado de transformadores UL/CSA en Jiangsu, China, que presta servicios a clientes de los sectores de servicios públicos, energías renovables e industrial en Norteamérica, Asia Sudoriental, Medio Oriente y África.