Impedancia del transformador explicada: cómo el porcentaje de impedancia determina la corriente de cortocircuito, la caída de tensión y la operación en paralelo

El pasado primavera se instalaron dos unidades de 2000 kVA en la misma subestación. Ambas tenían la misma relación de tensión, el mismo secundario de 208Y/120 V y estaban certificadas UL en su placa de características. El equipo de puesta en servicio cerró el interruptor de acoplamiento para conectarlas en paralelo, y al cabo de menos de dos horas se activó la alarma de temperatura del devanado en una de las unidades. Nada estaba defectuoso. Una unidad tenía una impedancia del 5,75 % y la otra del 4,0 %; cuando dos unidades comparten un mismo bus, la carga se reparte de forma inversamente proporcional a su impedancia. La unidad del 4,0 % soportaba aproximadamente el 59 % de la carga total, mientras que su compañera soportaba solo el 41 %. Estaba realizando el trabajo de un transformador de mayor potencia y se calentaba como tal.

Ese único punto porcentual es la razón impedancia del transformador merece más atención de la que normalmente recibe en una línea de una orden de compra. El porcentaje de impedancia determina tres aspectos simultáneamente: la corriente de falla que su equipo de conmutación debe interrumpir, la caída de tensión entre vacío y carga nominal, y si dos unidades pueden operar en paralelo sin que una asuma la carga de la otra. Si se comete un error en el diseño, este se manifestará en el campo, en el estudio de arco eléctrico o durante la reunión de puesta en servicio.

 

Qué mide realmente la impedancia del transformador

El porcentaje de impedancia se mide cortocircuitando un devanado y aplicando una tensión variable al otro. Se incrementa dicha tensión hasta que circule la corriente nominal; luego, la tensión aplicada se expresa como un porcentaje de la tensión nominal. Un transformador del 5,75 % requiere el 5,75 % de su tensión nominal para hacer circular la corriente nominal a través de un cortocircuito sólido. La mayor parte de esa impedancia proviene del flujo de fuga que no enlaza ambos devanados, además de la resistencia propia del cobre.

El procedimiento está normalizado. Las mediciones de impedancia y pérdidas por carga se encuentran en IEEE C57.12.90 para unidades sumergidas en líquido, publicadas en la Página de la IEEE Standards Association para el código de ensayo ; los requisitos generales para transformadores de potencia, incluida la forma de declarar la impedancia de cortocircuito, se establecen en IEC 60076-1 . Ambos exigen que la cifra se refiera a una corriente determinada y a una temperatura de referencia, porque la componente resistiva —y, por tanto, la total— varía conforme se calientan los devanados.

Las bandas típicas son las siguientes:

Categoría de transformador	Impedancia típica (%Z)	Qué determina el valor
Tipo seco, hasta 1 000 kVA	4 % - 6 %	Limitación de la corriente de cortocircuito frente a la caída de tensión
Distribución con inmersión líquida, 500 - 2500 kVA	4 % - 6 %	Coordinación de corriente de falla de la red eléctrica
Potencia media, 5 - 20 MVA	6 % - 10 %	Clasificación del equipo de conmutación secundario, rigidez del sistema
Alta potencia, superior a 20 MVA	8 % - 16 %	Corriente de falla, costo unitario, regulación de tensión

 

Trátelo como un intervalo, no como una regla. Dos proveedores pueden cotizar la misma potencia en kVA en extremos opuestos de dicho intervalo y ambos estar correctos. El valor que recibe es un compromiso de diseño acordado en la fase de especificación, no algo que se descubra durante la prueba de aceptación en fábrica.

 

¿Por qué el porcentaje de impedancia determina su corriente de cortocircuito disponible?

Aquí está la aritmética que la mayoría de los compradores nunca ven. En términos por unidad, la impedancia del transformador define la corriente disponible en el secundario: Isc es igual a la corriente secundaria nominal dividida por la impedancia en valores por unidad. Considere una unidad trifásica de 2000 kVA y 480 V. La corriente secundaria nominal es de 2406 A. Con una 5.75%impedancia determinada, una falla trifásica sólida en el secundario puede alcanzar aproximadamente 41 800 A - ¿ Qué? En el 4.0%el mismo transformador alcanza aproximadamente 60 150 A .

Esa diferencia de 1,75 puntos desplaza la corriente de cortocircuito disponible en unos 18 kA. Es la diferencia entre dos clases de tableros eléctricos de baja tensión, dos requisitos distintos de refuerzo de barras y dos resultados diferentes de energía incidente en el estudio de arco eléctrico. Los contratistas de Texas y Alberta nos preguntan constantemente sobre esto, normalmente después de que un estudio de coordinación arroja equipos que no pueden adquirir al precio que habían presupuestado.

La impedancia también tiene una forma. El porcentaje corresponde a la suma vectorial de una componente resistiva, que produce las pérdidas de carga, y una componente reactiva, que almacena energía de fuga. La relación entre ambas determina cuán asimétricos serán los primeros ciclos de la corriente de falla, y el interruptor que seleccione debe cerrarse sobre esa asimetría. Dos transformadores con el mismo valor de impedancia pero distintas relaciones no son intercambiables en un estudio de fallas.

 

 

Regulación de voltaje: la otra mitad del mismo compromiso

La impedancia limita la corriente de falla, pero su costo es la regulación de voltaje. Bajo carga, el voltaje en bornes disminuye en una cantidad proporcional a la impedancia y a la corriente de carga; dicha caída equivale aproximadamente a la componente resistiva multiplicada por el coseno del ángulo de carga, más la componente reactiva multiplicada por el seno. Un transformador más rígido —es decir, de menor impedancia— mantiene mejor su voltaje secundario, lo cual es precisamente lo que requiere una planta con predominio de motores o un centro de datos con una ventana estrecha de voltaje.

Reducir la impedancia hace que el secundario permanezca estable, pero la corriente de falla disponible aumenta, al igual que el costo de cada dispositivo aguas abajo. Aumentar la impedancia para controlar la corriente de falla provoca ahora una mayor caída de tensión y mayores pérdidas reactivas en las mismas cargas. Ninguna geometría única de devanado ofrece ambos beneficios, razón por la cual este parámetro debe discutirse en las especificaciones y no incluirse como valor predeterminado en una plantilla.

Las normas también aceptan que el valor declarado no es exacto. IEC 60076-1 establece cómo se especifica la impedancia de cortocircuito y qué tolerancia se aplica al valor declarado; dichas tolerancias son lo suficientemente amplias como para que un equipo pueda, legítimamente, arrojar resultados de ensayo que difieran unas décimas de punto porcentual del valor indicado en el contrato. Si prevé operar equipos en paralelo, anote explícitamente el margen de tolerancia en lugar de asumir que el valor de la placa de características es exacto.

 

Operación en paralelo: donde un punto porcentual se convierte en dinero real

La operación en paralelo tiene cuatro condiciones, y la impedancia es solo una de ellas: relación de tensión y posición del toma ajustados, mismo grupo vectorial y desplazamiento de fase, misma secuencia de fases, e impedancia coincidente tanto en magnitud como en la relación entre componente reactiva y resistiva.

Cuando la impedancia de las dos unidades no coincide, la carga se reparte de forma inversamente proporcional a dicha impedancia. El ejemplo de puesta en servicio anterior constituye el caso típico descrito en los manuales. Al hacer funcionar una unidad del 4,0 % y otra del 5,75 % hasta el 90 % de su capacidad combinada, la unidad de baja impedancia ya supera su propia capacidad nominal, mientras que la otra aún dispone de margen. La unidad de mayor impedancia nunca alcanza su límite; su compañera asume la carga conjunta.

La mayoría de las especificaciones industriales y de servicios públicos limitan la diferencia de impedancia entre unidades destinadas a operar en paralelo al 10 %, y esta precaución está justificada, pues el desequilibrio aumenta rápidamente a medida que la brecha se amplía. Si existe incluso la posibilidad de conectar en el futuro dos transformadores, incluya la banda de impedancia en ambos pedidos de compra al mismo tiempo. Adquirir una unidad coincidente cinco años después es precisamente cuando estos proyectos se vuelven costosos.

 

Cómo especificar la impedancia sin restringirse innecesariamente

El valor de impedancia de un transformador es un dato de especificación, no un resultado de ensayo que se descubrirá más adelante. Siete elementos deben figurar en la sección de impedancia de una solicitud de cotización (RFQ), y la mayoría de ellos no suponen ningún costo al indicarlos:

• Valor de impedancia y tolerancia. Indique la cifra nominal y la banda aceptable, ambas a la corriente nominal.
• Toma de referencia. La impedancia varía a lo largo del rango de tomas; por tanto, especifique a qué toma corresponde el valor indicado y solicite también los valores extremos en las tomas extremas.
• Temperatura de referencia. La resistencia depende de la temperatura, y lo mismo ocurre con el valor que está especificando.
• Clasificación de fallo aguas abajo. Indique al proveedor la clasificación del equipo de conmutación y permita que proponga la ventana de impedancia que se ajuste a ella.
• Requisito de regulación de tensión al factor de potencia de la carga de diseño.
• Intención de conexión en paralelo. Si se podría añadir una segunda unidad más adelante, indíquelo ahora y especifique la banda de coincidencia.
• Requisitos de informes. Solicite la impedancia medida y las pérdidas bajo carga en el informe de prueba rutinaria, no solo en el cálculo de diseño.

Ese último punto es más importante de lo que parece. En más de un proyecto hemos observado cómo un par conectado en paralelo se negó a compartir la carga porque los dos informes de prueba rutinaria nunca se habían comparado lado a lado antes de la puesta en servicio.

 

Cómo Ryan Electric mide y reporta la impedancia

Cada unidad que sale de nuestro banco de pruebas tiene su impedancia y sus pérdidas bajo carga medidas a la corriente nominal y reportadas frente al valor declarado, en las posiciones de toma realmente suministradas, y no solo en la toma principal. Cuando un cliente ha especificado una banda de coincidencia para conexión en paralelo futura en una transformador trifásico personalizado , el mismo informe incluye las cifras de tomas extremas, para que el ingeniero de puesta en servicio pueda verificar el par antes de energizarlo.

Fabricamos en una instalación de 120 000 metros cuadrados con más de 180 conjuntos de equipos de producción y prueba, y contamos con 37 patentes; además, poseemos certificaciones UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS y CE. Desde 2023, Ryan Electric opera como socio oficial de empresa conjunta de Eaton, lo que ha reforzado aún más el estándar documental aplicado a cada informe de ensayo que emitimos. El valor de impedancia indicado en nuestra placa de características es un valor medido, respaldado por un registro trazable, siendo esta la única versión de dicha cifra válida para su uso en un estudio de coordinación.

 

Envíenos el diagrama unifilar antes de la orden de compra

Envíenos el diagrama unifilar, la potencia nominal del transformador, la potencia nominal del cuadro de mando secundario y el perfil de carga. Nuestro equipo de ingeniería le proporcionará una ventana de impedancia del transformador que satisfaga simultáneamente los límites de corriente de cortocircuito y caída de tensión; además, cuando se prevea el funcionamiento en paralelo, definirá una banda de coincidencia para ambas unidades, de modo que el par comparta la carga desde el primer día. Establecer la impedancia sobre el papel no tiene ningún costo. Corregirla tras una visita de puesta en servicio implica una interrupción del suministro.

 

Acerca del autor: Este artículo fue redactado por el equipo de ingeniería de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), fabricante de transformadores de resina fundida, sumergidos en aceite y montados sobre pedestal, que atiende a clientes del sector eléctrico, centros de datos, generación renovable e industria desde 2007. El equipo trabaja diariamente con los requisitos IEEE C57 e IEC 60076 y apoya a desarrolladores y contratistas EPC durante la fase de especificación, pruebas de fábrica y puesta en servicio en sitio.