REVISTA INGENIO
Fernando Rafael Arias Atiaja | Universidad Técnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador
Armando Salvador Freire Freire | Universidad Técnica de Cotopaxi, Latacunga, Ecuador
, (), -, . -
e purpose of the following work is to calculate the top oil and hot spot temperature increases that the
187 MVA power transformer may experience, and to establish the limitations and guidelines within an
acceptable level of operation within the IEEE C57. 91-1995, within the study there is a brief exposition
of the equations used under the standard used, by means of Matlab code the calculation and study of
the dierent scenarios that the load may have, the text presents the behavior gures under 4 operating
conditions such as: normal load, top load, short- and long-term emergency load, through the initial base
load prole of the table C.1 of the IEEE C57.91-1995 standard. In addition, the transformer temperature
behavior due to the incorporation of distributed generation by means of photovoltaic panels and load
increase due to the introduction of electric vehicles to the system is analyzed with reference to the Inov-
Grid project carried out in the country of Portugal.
El siguiente trabajo tiene como nalidad calcular los incrementos de temperaturas top oil y hot spot
que puede experimentar el transformador de potencia de 187 MVA, y establecer las limitaciones y guías
dentro de un nivel aceptable de funcionamiento dentro de la norma IEEE C57.91-1995. Dentro del es-
tudio se realiza una breve exposición de las ecuaciones empleadas bajo la normativa utilizada; mediante
código de Matlab se realiza el cálculo y estudio de los diferentes escenarios que puede tener la carga, se
presenta en el texto las guras de comportamiento bajo cuatro condiciones de operación como son: car-
ga normal, carga superior, carga de emergencia a corto y largo plazo, a través del perl de carga base ini-
cial de la tabla C.1 de la norma IEEE C57.91-1995, además se analiza el comportamiento de temperatura
del transformador debido a la incorporación de generación distribuida mediante paneles fotovoltaicos
e incremento de carga por la introducción de vehículos eléctricos al sistema con referencia al proyecto
InovGrid llevado a cabo en el país de Portugal.
1. introducción
Los estudios sobre cálculo de temperatura de transfor-
madores sumergidos en aceite son muy importantes ya
que estos equipos suelen operar las 24 horas del día, me-
diante un ciclo normal, donde existen uctuaciones a lo
largo del día, sea para carga normal o en sobrecarga pla-
nicada por encima de la placa de identicación.
El cálculo de temperatura en transformadores sirve para
determinar la condición operativa del transformador, a
su vez la temperatura ayuda a determinar el envejeci-
miento del papel aislante.
La capacidad de sobrecarga en transformadores, espe-
cialmente en transformadores de potencia, bajo condiciones
de emergencia del sistema eléctrico, ha sido ampliamente es-
tudiada con procedimientos de cálculo muy precisos, aun
cuando los valores de temperatura alcanzados en el trans-
formador son los únicos parámetros considerados.
Received: 7/11/2022
Accepted: 7/12/2022
Power transformer, normal load, tem-
perature, load increase, electric vehicles,
photovoltaic panels
Transformador de potencia, carga normal,
temperatura, incremento de carga, vehícu-
los eléctricos, paneles fotovoltaicos
https://doi.org/10.29166/ingenio.v5i2.4224 pISSN 2588-0829
2022 Universidad Central del Ecuador eISSN 2697-3243
CC BY-NC 4.0 —Licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial 4.0 Internacional ng.revista.ingenio@uce.edu.ec
Comportamiento de Temperaturas Top Oil y Hot Spot en Transformadores
Sumergidos en Aceite Mediante el Ingreso de Carga de Vehículos Eléctricos
Behavior of Top Oil and Hot Spot Temperatures in Oil-Immersed Transformers by Means of
Electric Vehicle Load Input
La causa de envejecimiento del aislamiento del trans-
formador obedece a diversos factores, como el diseño, el
historial de carga, la calidad del material aislante, la tem-
peratura (devanado ambiente y aceite), eciencia y man-
tenimiento del sistema de refrigeración [1].
77
Se proporciona un método alternativo que requiere
un procedimiento de cálculo por computadora, el méto-
do produce una mayor precisión en la capacidad de car-
ga si se utiliza métodos precisos para determinar la carga,
temperatura y modo de refrigeración en funcionamiento.
El propósito es analizar los posibles cambios de tem-
peratura del transformador con una carga denida y sus
cambios, debido a la integración de carga por la inclu-
sión de vehículos eléctricos y, al mismo tiempo, la inyec-
ción de potencia al sistema por generación fotovoltaica.
Con la incorporación de vehículos eléctricos se espe-
ra que la carga del transformador vaya aumentando y, con
la creciente integración de paneles fotovoltaicos, la carga
vaya disminuyendo.
2. Método
2.1. ESTIMACIÓN DE VIDA ÚTIL DEL TRANSFORMADOR
2.2. CICLO DE CARGA
2.3. MÉTODO DE CONVERSIÓN DE CICLOS DE
CARGA REALES EN EQUIVALENTES
Un transformador que suministra una carga uctuante
genera una pérdida uctuante y su efecto es casi el mis-
Figura 1.
Ejemplo de ciclo de carga real y ciclo de carga equivalente
Comportamiento de Temperaturas Top Oil y Hot Spot en Transformadores Sumergidos en Aceite Mediante el Ingreso de Carga de
Vehículos Eléctricos
La temperatura ambiente también juega un factor im-
portante para determinar la capacidad de carga de un
transformador, los incrementos de carga deben agregar-
se al ambiente para determinar las temperaturas de fun-
cionamiento. Para la clasicación del transformador se
basan en temperatura ambiente promedio de 24 horas
de 30°C [2].
El método empleado para el cálculo de temperatura de
aceite y de los devanados por cambios en la carga está sim-
plicado y no requiere de procedimientos iterativos, donde
dos exponentes representan cambios de pérdida de la carga
y viscosidad del aceite causados por cambios de temperatu-
ra, los valores para los exponentes se determinan mediante
procedimientos de prueba de sobrecarga [3].
La vida útil de un transformador de potencia está esti-
mado de 20 a 35 años, pero podría alcanzar hasta unos
60 años según los mantenimientos correctos, existe una
cierta incertidumbre en relación con la expectativa de
vida y el deterioro progresivo de la máquina de acuerdo
con lo que ofrecen los distintos fabricantes, la vida del
transformador está relacionado con el proceso de degra-
dación de la resistencia mecánica del papel, conocer el
remanente de vida del transformador es un factor im-
portante para la conabilidad del sistema [5] [6].
Cuando el transformador es incapaz de cumplir con sus
funciones de suplir potencia se podría decir que ha llega-
do al nal de su vida útil [5].
Los conceptos que a continuación se explicitarán han
sido tomados siguiendo como referencia las Normas
guide for loading: Std C57-91-1995 [2].
El principio de envejecimiento del aislamiento o de-
terioro es una función temporal de temperatura, el con-
tenido de oxígeno y humedad, aplicando los sistemas de
conservación del aceite, la contribución de oxígeno y hu-
medad al deterioro del aislamiento entonces se puede
minimizar, llegando a denir la temperatura como pará-
metro de control [7] [8].
Además, la intención de este trabajo se ve reejado
a través de la integración de vehículos eléctricos (), y
unidades de micro generación (uG) al sistema, el objeti-
vo es ver cómo se comporta el transformador debido a la
integración de estas unidades de carga y generación [4].Los transformadores operan con ciclos de carga que se re-
piten con un período de 24 horas. Un ciclo típico normal
de carga es el que se muestra en la gura 1, donde se pue-
den observar uctuaciones de carga a lo largo del día [2].
78
Arias F., et al.
mo como el que genera una carga constante promedio
durante el mismo período de tiempo (ver Figura 1).
La carga equivalente, para todo un ciclo diario de car-
ga puede expresarse por intermedio de la eq. 1 siguiente:
(1)
Donde:
L1, L2 son las diferentes etapas de carga en %, por uni-
dad, kVA reales o en corriente de carga.
N es el número total de cargas consideradas en tantos
períodos.
t1, t2 son las duraciones respectivas de estas cargas en
horas.
2.4. EQUIVALENTE CONTINUO DE CARGA PREVIA
La carga previa continua equivalente, es la carga ecaz
obtenida por medio de la eq. 8 en un período elegido del
día. Carga construida para el ciclo de carga real (línea
continua).
Continuos equivalentes por períodos de carga de 12 ho-
ras =
2.5. CÁLCULOS DE TEMPERATURAS
La temperatura del punto caliente (ΘH) viene dado por la
suma de tres condiciones de temperatura en un transfor-
mador de potencia, la extensión del punto más caliente
del devanado sobre el aceite superior (∆ΘH) el incremen-
El cálculo de temperaturas top oil y hot spot se ba-
san en la implementación de las ecuaciones de cálculo de
temperaturas dictadas por la normativa C57.91-1995
mediante el perl de carga.
2.6. COMPONENTES DE LA TEMPERATURA
La temperatura del punto más caliente del bobinado está
dada por la eqs. 2 y 3 [2] [9]:
ΘH=ΘA+∆ΘTO+∆ΘH (2)
Siendo la temperatura de aceite superior:
ΘTO=ΘA+∆ΘTO (3)
Los cálculos de temperatura suponen una temperatura
ambiente constante.
2.7. ELEVACIÓN DE LA TEMPERATURA DEL ACEITE SU
PERIOR POR ENCIMA DE LA TEMPERATURA AMBIENTE
La elevación máxima de la temperatura del aceite en un
momento después de un cambio de etapa de carga es
dada por la eq. 4 [2]:
(4)
Para el ciclo de sobrecarga de dos etapas, con una
carga previa equivalente constante, la elevación ini-
cial máxima del aceite se muestra en la eq. 5:
(5)
El valor máximo alcanzado por la temperatura supe-
rior de aceite está dado por la eq. 6:
(6)
La ecuación se utiliza para calcular la elevación de tempe-
ratura del aceite superior para cada etapa de carga.
2.8. CONSTANTE DE TIEMPO DEL ACEITE
La capacidad térmica es dada por la siguiente ecuación
para los modos de enfriamiento y :
C = 0,06 peso del conjunto de núcleo y bobina en libras
+ 0,04 (peso del tanque y accesorios en libras) + 1,33 (ga-
lones de aceite).
C = 0,0272 (peso del conjunto de núcleo y bobina en
kilogramos) + 0,01814 (peso del tanque y accesorios en
kilogramos) + 5,034 (litros de aceite).
C = 0,06 peso del conjunto de núcleo y bobina en libras +
0,06 (peso del tanque y accesorios en libras) + 1,93 (litros
de aceite).
C = 0,0272 peso del conjunto de núcleo y bobina en li-
bras + 0,0272 (peso del tanque y accesorios en kilogra-
mos) + 7,305 (litros de aceite).
El peso a considerar para la cuba y radiadores es de
todo aquel material ferroso en contacto con el aceite.
La constante de tiempo del aceite superior para car-
ga nominal resulta por la eq. 7, [2] entonces:
(7)
Y la constante de tiempo para el aceite máximo viene
dada por la eq. 8:
(8)
Para el análisis de ciclos de carga en múltiples etapas con
una serie de intervalos de corto tiempo, se usa la eleva-
ción máxima de aceite al nal de la etapa previa de carga
como elevación inicial de la temperatura de aceite supe-
rior para el cálculo de la siguiente etapa de carga [9] [10].
to del aceite sobre la temperatura ambiente (∆ΘTO) y la
temperatura ambiente (ΘA) [9].
El método para el cálculo de temperaturas del aceite
y del bobinado presentado a continuación para el caso de
cambios en el ciclo de cargas es simplicado y no requiere
procesos iterativos. Los exponentes m y n utilizados res-
ponden a los cambios en la pérdida de carga y en la visco-
sidad del aceite causadas por cambios de temperatura [2].
79
(9)
2.9. ELEVACIÓN EN LOS PUNTOS CALIENTES DE LOS
BOBINADOS
El gradiente de temperatura transitoria en los puntos
más calientes del bobinado por encima de la temperatura
del aceite superior está dado por la eq. 10:
(10)
El valor inicial del punto más caliente por encima del
aceite superior muestra la eq. 11:
(11)
Y la elevación extrema del punto más caliente por enci-
ma del aceite máximo está dada por la eq. 12:
(12)
Y el valor nominal del punto más caliente sobre el aceite
máximo viene dado por la eq. 13:
(13)
2.10. EXPONENTES UTILIZADOS EN LAS ECUACIO
NES DE TEMPERATURA
Los exponentes sugeridos para ser utilizados en las ecua-
ciones de elevación de temperatura son los indicados en
[2], tabla 5.
2.11. AJUSTE DE LOS DATOS DE TEST PARA DIFE
RENTES POSICIONES DE
Si se desea ajustar los datos de los informes de tests para
la operación en una posición de tap sin carga distinta a la
que se reportó el ensayo de calentamiento, pueden usarse
las ecuaciones 14, 15 y 16 para obtener los datos ajustados.
(14)
Elevación de temperatura del punto más caliente:
(15)
Finalmente, la constante de tiempo con carga nominal
de tap es:
(16)
2.12. CARGA DE LOS TRANSFORMADORES DE PO
TENCIA
Como dijimos al comienzo, toda sobrecarga puede expo-
ner el aislamiento a temperaturas mayores a las especi-
cadas por el fabricante.
La Std C57.91-1995 ha denido 4 tipos diferen-
tes de condiciones de carga, por encima de las especi-
caciones de placa.
2.13. LIMITACIONES DE TEMPERATURA
En la tabla 6 de [2] se muestran los valores sugeridos por
la Std C57.91.1995 para los límites de temperaturas
y cargas para sobrecargar un transformador por encima
de los límites de placa.
En la tabla 7 de [2] se dan valores sugeridos de lími-
tes de temperatura que ocasionan una pérdida razonable
de vida para los cuatro tipos de carga.
Los límites sugeridos de temperatura que dan una
pérdida de vida razonable para los cuatro tipos de carga
se dan en la tabla 8 de [2].
2.14. GENERACIÓN DISTRIBUIDA Y VEHÍCULOS
ELÉCTRICOS
2.15. IMPACTO DE LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS A
LA RED
Entre los impactos más signicativos desde la red eléctri-
ca esta las caídas de tensión, congestión de líneas e incre-
mento de pérdidas en el sistema de distribución, sobre-
Comportamiento de Temperaturas Top Oil y Hot Spot en Transformadores Sumergidos en Aceite Mediante el Ingreso de Carga de
Vehículos Eléctricos
En la deducción de la eq. 8, se parte de la hipótesis de que
la elevación extrema de la temperatura de aceite ∆ΘTO
es directamente proporcional con la pérdida de calor q,
es decir;
Cuando n=1, el 63% del cambio de temperatura ocurre
en un lapso igual a la constante de tiempo sin importar
la relación entre la elevación de la temperatura inicial y
la elevación extrema de la temperatura. Cuando n no es
igual a 1, entonces el cambio de temperatura en un inter-
valo de tiempo similar será diferente, dependiendo tanto
de la elevación inicial de la temperatura como de la tem-
peratura extrema [2].
La generación distribuida es la energía directamente co-
nectada a la red de distribución o al consumidor, utili-
zando diversas fuentes de energía [11].
La integración de distintas áreas o disciplinas es muy im-
portante, como el transporte y la electricidad con el n de lo-
grar un desarrollo sostenible en el tiempo representando un
gran reto para los sistemas de potencia y distribución [12].
La posibilidad de disponer fuentes nuevas de energías
en la red de distribución, además de la inclusión masiva
de vehículos eléctricos genera nuevos desafíos en el dise-
ño, operación y gestión del transformador de distribución,
requiere de una modernización de las redes eléctricas [13].
80
Arias F., et al.
2.16. IMPACTO EN ESCENARIOS DE MOVILIDAD
ELÉCTRICA
Estudios indican soluciones técnicas de optimización
difusa que proporcionan una tasa de carga diferente para
estas condiciones, esto ahorra energía y hace que el negocio
de vehículos eléctricos sea más rentable para el propietario.
Se asegura que la combinación de producción de ener-
gías renovables y la inserción de vehículos eléctricos des-
empeñan un papel importante en esta perspectiva.
Entonces se plantea la electromovilidad como un
tema de prioridad, esto obliga al despliegue de puntos de
carga a lo largo y ancho de la región y, con el n de tener
una perspectiva futura, se debe adoptar ciclos de prue-
ba para vehículos ligeros y así derivar la función de con-
sumo, además de prever la importancia en investigación
de escenarios futuros de movilidad de vehículos eléctri-
cos con la nalidad de reubicar demandas de energía y así
evitar que se supere la capacidad de la red, sobre todo la
capacidad del transformador.
3. Resultados y discusión
Para la resolución de cálculo de temperaturas se utiliza el
soware Matlab, mediante código se procede a plasmar las
diferentes ecuaciones mostradas en teoría y mostrar los
resultados y grácos correspondientes a cada uno de ellos.
Siguiendo la metodología descrita anteriormente, en
esta sección se presentan los resultados de cálculo e ilus-
traciones de los incrementos de carga de acuerdo al ejem-
plo mostrado en la norma C57.91-1995.
La normativa contempla el perl de carga de un trans-
formador de 187 que esté sujeto a varios cambios de
carga para las siguientes condiciones de operación:
· Carga normal (Normal load)
· Carga superior al valor nominal ()
· Carga de emergencia de largo plazo ()
· Carga de emergencia de corto plazo ()
3.1. CARGA NORMAL NORMAL LOAD
Con base en el perl de carga entregado por la normativa
C57.91-1995 Tabla C.1, se obtienen los siguientes
datos (ver Tabla 1).
La gura 2 muestra el perl de carga en estado nor-
mal de operación, caso base de estudio inicial que se toma
Figura 2.
Perl de carga en estado normal de operación
Figura 3.
Curvas de temperatura top oil y hot spot en estado normal de operación
0 5 10 15 20 25
Tiempo (h)
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Carga (p.u.)
PERFIL DE CARGA
Perfil de carga
0 5 10 15 20 25
Tiempo (h)
50
55
60
65
70
75
80
85
Tempratura (°C)
TOP OIL & HOT SPOT
Top oil
Hot spot
cargas en el transformador y modicación de la curva de
demanda [14].
El envejecimiento acelerado del transformador por
carga de vehículos eléctricos depende del aislamiento, el
mismo que tiene una estrecha relación con la temperatu-
ra de operación, al efectuar su incorporación su nivel de
carga va aumentando, hasta superar su límite de poten-
cia y si no se tiene el acompañamiento de un sistema ade-
cuado de gestión de recarga puede ocasionar además de
otros elementos del sistema el porcentaje de pérdida de
vida útil del transformador [15].
Los vehículos eléctricos prometen un campo de inves-
tigación exhaustiva en la ingeniería, integrado al acre-
centamiento de consumo, en países en vías de desarrollo
como países del sur de Asia se aprecia el uso de vehículos
eléctricos de baterías similares a la bicicleta eléctrica y el
auto Rick Shaw [16].
Debido a la gran demanda de consumo eléctrico que
esto genera y la rápida inserción de esta tecnología, se re-
cargan con frecuencia desde las conexiones domésticas,
debido a que las estaciones de carga no son sucientes,
esto hace que existan mayores pérdidas en todo el sistema
eléctrico y disminuya la vida útil del transformador [16].
Mientras que en países del sur del continente euro-
peo consideran que el reducir energía primaria, conta-
minantes atmosféricos tóxicos al aire y gases de efecto
invernadero es un reto que tiene la sociedad y es uno de
los problemas graves que afectan a la humanidad [17].
El incremento en la utilización de combustibles alter-
nos como biodiésel o electricidad y la última generación
en motores de vehículos eléctricos representan una estra-
tegia importante de emisiones y consumos [18].
81
en cuenta para la incorporación de generación distribui-
da con paneles fotovoltaicos y carga de vehículos eléctri-
cos (ver Figura 2).
Utilizando las ecuaciones mencionadas anteriormente
en la sección cálculo de temperaturas se procede, median-
te código realizado en programación Matlab, a calcular las
temperaturas top oil y hot spot para carga normal, obtenien-
do los siguientes resultados para una temperatura ambien-
te de 30 °C (ver Tabla 2) top oil & hot spot - carga normal.
Además, se visualiza (ver Figura 3) las curvas de tem
-
peratura top oil y hot spot calculadas para la carga nor-
mal de operación.
3.2. CARGA SUPERIOR AL VALOR NOMINAL
En la gura 4 se muestra el perl de carga en base al in-
cremento de carga al valor nominal (ver Figura 4).
De la misma forma, se procede al respectivo cálcu-
lo, correspondiente al perl de carga entregado para este
caso de estudio, obteniendo los siguientes resultados (ver
Tabla 2) top oil & hot spot - .
En la gura 5 se puede apreciar el incremento de tempe-
ratura considerable por encima de los 100 °C en hot spot
y cercano a los 70 °C en top oil debido al incremento de
carga prolongado de 12 horas superior a la carga 1 p.u.
del caso de estudio (ver Figura 5).
3.3. CARGA DE EMERGENCIA DE LARGO PLAZO
En la gura 6 se observa el incremento de carga de largo
plazo de aproximadamente de siete horas menor al caso
(ver Figura ).
De la misma forma, se procede al respectivo cálcu-
lo correspondiente al perl de carga entregado para este
caso de estudio, obteniendo los siguientes resultados (ver
Tabla 2) top oil & hot spot - .
Podemos visualizar en la gura 7 las temperaturas de
hot spot aumentan su valor al caso , pero disminu-
ye el tiempo a 4 horas los valores picos de temperatura
(ver Figura 7).
Tabla 1.
Ciclos de carga y aumentos de temperatura para un transformador de 187
CARGA NORMAL PLBN LTE STE
Hora
C a r g a
(p.u.)
∆Θto
(°C)
∆Θto
(°C)
∆ΘH
(°C)
ΘH (°C)
C a r g a
(p.u.)
∆Θto
(°C)
∆ΘH
(°C) ΘH (°C)
C a r g a
(p.u.)
∆Θto
(°C)
∆ΘH
(°C) ΘH (°C)
C a r g a
(p.u.)
∆Θto
(°C)
∆ΘH
(°C) ΘH (°C)
1 0,68 29,94 29,94
13,22
73,20 0,86 43,78 21,15 94,90 0,86 45,23 21,15 96,40 0,86 45,54 21,15 96,70
2 0,61 27,42 27,42
10,64
68,10 0,77 39,85 16,96 86,80 0,77 40,94 16,96 87,90 0,77 41,17 16,96 88,10
3 0,58 24,86 24,86 9,62 64,50 0,73 35,82 15,24 81,10 0,73 36,63 15,24 81,90 0,73 36,81 15,24 82,10
4 0,55 22,67 22,67 8,65 61,30 0,69 32,35 13,62 76,00 0,69 32,96 13,62 76,60 0,69 33,09 13,62 76,70
5 0,53 20,78 20,78 8,03 58,80 0,67 29,33 12,84 72,20 0,67 29,78 12,84 72,60 0,67 29,88 12,84 72,70
6 0,52 19,20 19,20 7,73 56,90 0,66 26,86 12,46 69,30 0,66 27,20 12,46 69,70 0,66 27,27 12,46 69,70
6 0,52 18,14 19,20 7,73 56,90 0,66 26,86 12,46 69,30 0,66 26,86 12,46 69,30 0,66 26,86 12,46 69,30
7 0,55 17,14 17,94 8,65 56,60 0,69 24,91 13,62 68,50 0,69 24,91 13,62 68,50 0,69 24,91 13,62 68,50
8 0,61 16,63 17,23
10,63
57,90 0,77 23,75 16,96 70,70 0,77 23,75 16,96 70,70 0,77 23,75 16,96 70,70
9 0,70 16,76 17,21
14,01
61,20 0,88 23,74 22,15 75,90 0,88 23,74 22,15 75,90 0,88 23,74 22,15 75,90
10 0,79 17,74 18,07
17,85
65,90 1,00 25,08 28,60 83,70 1,00 25,08 28,60 83,70 1,00 25,08 28,60 83,70
11 0,85 19,47 19,71
20,66
70,40 1,07 27,76 32,74 90,50 1,07 17,76 32,74 90,50 1,07 27,76 32,74 90,50
12 0,90 21,49 21,67
23,17
74,80 1,13 30,85 36,52 97,40 1,13 30,85 36,52 97,40 1,13 30,85 36,52 97,40
13 0,93 23,66 23,79
24,74
78,50 1,17 34,14 39,15 103,30 1,29 34,14 39,15 103,30 1,92 34,14 39,15 103,30
14 0,96 25,69 25,79
26,36
82,20 1,21 37,29 41,87 109,20 1,33 39,48 50,59 120,10 1,33 46,76 50,59 127,40
15 0,98 27,64 27,71
27,47
85,20 1,23 40,36 43,27 113,60 1,36 44,27 52,90 127,20 1,36 49,73 52,90 132,60
16 0,99 29,39 29,44
28,03
87,50 1,25 43,03 44,69 117,70 1,38 48,46 54,47 132,90 1,38 52,55 54,47 137,00
17 1,00 30,84 30,88
28,60
89,50 1,26 45,40 45,41 120,80 1,39 52,01 55,26 137,30 1,39 55,07 55,26 140,30
18 1,00 32,08 32,11
28,60
90,70 1,26 47,36 45,41 122,80 1,39 54,87 55,26 140,10 1,39 57,17 55,26 142,40
19 0,98 33,01 33,03
27,47
90,50 1,23 48,83 43,27 122,10 1,23 57,02 55,26 142,30 1,23 58,74 55,26 144,00
20 0,97 33,41 33,43
26,91
90,30 1,22 49,38 42,57 122,00 1,22 55,52 42,57 128,10 1,22 56,81 42,57 129,40
21 0,94 33,57 33,58
25,27
88,90 1,18 49,61 39,82 119,40 1,18 54,21 39,82 134,00 1,18 55,18 39,82 125,00
22 0,90 33,26 33,27
23,17
86,40 1,13 49,07 36,52 115,60 1,13 52,52 36,52 119,00 1,13 53,25 36,52 119,80
23 0,86 32,49 32,49
21,15
83,60 1,08 47,81 33,36 111,20 1,08 50,39 33,36 113,80 1,08 50,94 33,36 114,30
24 0,81 31,39 31,39
18,76
80,20 1,02 46,04 29,76 105,80 1,02 47,98 29,76 107,70 1,02 48,39 29,76 108,20
Nota. [3].
Comportamiento de Temperaturas Top Oil y Hot Spot en Transformadores Sumergidos en Aceite Mediante el Ingreso de Carga de
Vehículos Eléctricos
82
Arias F., et al.
3.4. CARGA DE EMERGENCIA DE CORTO PLAZO
En la gura 8 se observa el incremento de carga en corto
plazo provocando un pico en la curva de perl de carga
(ver Figura 8).
Los resultados obtenidos de cálculo se muestran (ver
Tabla 2) top oil & hot spot - .
En la gura 9 se observa un drástico pico de aumen-
to de temperatura por corto tiempo que sobrepasa a los
casos de estudio vistos hasta el momento con un punto
máximo superior a los 150 °C y luego regresa a valores
que se presentan al caso (ver Figura ).
3.5. INCORPORACIÓN DE CARGA DE VEHÍCULOS
ELÉCTRICOS
El siguiente caso de estudio, es el incremento de carga me-
diante la incorporación de vehículos eléctricos y la gene-
ración distribuida mediante paneles fotovoltaicos. La nue-
Figura 4.
Perl de carga superior al valor nominal (PLBN)
Figura 6.
Perl de carga de emergencia de largo plazo (LTE)
Figura 8.
Perl de carga de emergencia de corto plazo (STE)
Figura 9.
Curvas de temperatura top oil y hot spot en estado de carga de
emergencia de corto plazo
Figura 5.
Curvas de temperatura top oil y hot spot en estado de carga supe-
rior al nominal
Figura 7.
Curvas de temperatura top oil y hot spot en estado de carga de emer-
gencia de largo plazoal nominal
0 5 10 15 20 25
Tiempo (h)
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
Carga (p.u.)
PERFIL DE CARGA
PLBN
0 5 10 15 20 25
Tiempo (h)
60
70
80
90
100
110
Tempratura (°C)
TOP OIL & HOT SPOT (PLBN)
Top oil
Hot spot
0 5 10 15 20 25
Tiempo (h)
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
Carga (p.u.)
PERFIL DE CARGA
LTE
0 5 10 15 20 25
Tiempo (h)
50
60
70
80
90
100
110
120
Tempratura (°C)
TOP OIL & HOT SPOT (LTE)
Top oil
Hot spot
5 10 15 20 25
Tiempo (h)
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Carga (p.u.)
PERFIL DE CARGA
STE
0 5 10 15 20
Tiempo (h)
40
60
80
100
120
140
Tempratura (°C)
TOP OIL & HOT SPOT (STE)
Top oil
Hot spot
83
Tabla 2.
Cálculo de temperaturas top oil & hot spot con programación Matlab para el perl de carga de la tabla C.1 - C57.91-1995
TOP OIL & HOT SPOT –
CARGA NORMAL TOP OIL & HOT SPOT – PLBN TOP OIL & HOT SPOT –
LTE
TOP OIL & HOT SPOT –
STE
Hora
C a r g a
(p.u.) ∆ΘH (°C) ΘH
(°C)
C a r g a
(p.u.) ∆ΘH (°C) ΘH
(°C) Carga (p.u.)
∆Θ
H
(°C)
ΘH
(°C)
C a r g a
(p.u.) ∆ΘH (°C) ΘH
(°C)
6 0.52 49.85 57.58 0.66 57.89 70.34 0.66 57.89 70.34 0.66 57.89 70.34
7 0.55 49.08 57.73 0.69 56.68 70.3 0.69 56.68 70.3 0.69 56.68 70.3
8 0.61 48.5 59.14 0.77 55.78 72.73 0.77 55.78 72.73 0.77 55.78 72.73
9 0.7 48.18 62.2 0.88 55.27 77.42 0.88 55.27 77.42 0.88 55.27 77.42
10 0.79 48.18 66.03 1 55.26 83.86 1 55.26 83.86 1 55.26 83.86
11 0.85 48.5 69.17 1.07 55.78 88.52 1.07 55.78 88.52 1.07 55.78 88.52
12 0.9 49.09 72.25 1.13 56.72 93.24 1.13 56.72 93.24 1.13 56.72 93.24
13 0.93 49.8 74.54 1.17 57.84 96.99 1.29 57.84 96.99 1.92 57.84 150.5
14 0.96 50.58 76.94 1.21 59.06 100.94 1.33 59.06 111.19 1.33 60.06 101.93
15 0.98 51.37 78.84 1.23 60.31 103.58 1.36 60.48 112.61 1.36 64.03 107.3
16 0.99 52.15 80.19 1.25 61.55 106.24 1.38 62.36 107.05 1.38 65.04 109.73
17 1 52.91 81.51 1.26 62.74 108.14 1.39 63.91 109.32 1.39 66.02 114.36
18 1 52.2 80.8 1.26 61.64 107.04 1.39 62.47 107.88 1.39 63.97 116.87
19 0.98 54.26 81.73 1.23 64.9 108.17 1.23 65.95 112.3 1.23 68.1 126.59
20 0.97 54.83 81.74 1.22 65.8 108.37 1.22 66.77 107.27 1.22 69.34 111.91
21 0.94 55.3 80.57 1.18 66.53 106.36 1.18 67.35 107.18 1.18 70.47 110.29
22 0.9 55.69 78.86 1.13 67.14 103.66 1.13 67.85 104.37 1.13 70.9 107.42
23 0.86 55.96 77.12 1.08 67.56 100.92 1.08 68.24 101.6 1.08 71.16 104.51
24 0.81 56.12 74.89 1.02 67.81 97.56 1.02 68.46 98.21 1.02 71.25 101.01
10.68 57.6 70.83 0.86 70.03 91.19 0.86 70.03 91.19 0.86 70.03 91.19
2 0.61 55.95 69.17 0.77 67.5 88.52 0.77 67.5 88.52 0.77 67.5 88.52
3 0.58 53.72 63.34 0.73 64.05 79.29 0.73 64.05 79.29 0.73 64.05 79.29
4 0.55 52.04 60.69 0.69 61.38 75 0.69 61.38 75 0.69 61.38 75
5 0.53 50.82 58.85 0.67 59.43 72.27 0.67 59.43 72.27 0.67 59.43 72.27
Figura 10.
Perl de carga InovGrid
Figura 11.
Perl de carga InovGrid
Fuente. [2].
va carga se obtiene del proyecto InovGrid de Portugal, el
perl de carga se visualiza en la gura 10 (ver Figura 10).
Incrementando la carga InovGrid más la de estudio
inicial se tiene el siguiente aumento de perl de carga
para el análisis de temperatura del transformador de 187
(ver Figura 11).
Como se observa en la gura 11, el perl de carga tiene
casi el mismo escenario al de estudio inicial. En base al
Comportamiento de Temperaturas Top Oil y Hot Spot en Transformadores Sumergidos en Aceite Mediante el Ingreso de Carga de
Vehículos Eléctricos
84
incremento de nueva carga se analiza el comportamiento
de temperatura que sufre el transformador (ver Tabla 3).
Las curvas de temperatura top oil y hot spot sobrepasan el
valor del caso de estudio y esto es aceptable debido al au-
mento de nueva carga de vehículos eléctricos y generación
distribuida con paneles fotovoltaicos (ver Figura 12).
4. Conclusión
Se realiza el análisis de cálculo de temperatura con re-
ferencia a la norma C57.91-1995, bajo el perl de
carga de caso inicial se pudo evidenciar que el transfor-
mador de 187 se encuentra al 100% de la cargabili-
dad en el horario de 17:00 a 18:00, donde la temperatura
Tabla 3.
Cálculo de temperatura top oil & hot spot al nuevo perl de carga con integración de generación distribuida y carga de vehículos eléctricos
TOP OIL & HOT SPOT - NUEVA CARGA
Hora Carga
(p.u.)
ΘA
(°C)
∆Θto
(°C)
∆ΘH
Figura 12.
Perl de carga InovGrid
Comportamiento de Temperaturas Top Oil y Hot Spot en Transformadores Sumergidos en Aceite Mediante el Ingreso de Carga de
Vehículos Eléctricos
(°C)
6 0.55 30.00 54.19 62.85
7 0.59 30.00 52.87 62.83
8 0.66 30.00 51.95 64.41
9 0.75 30.00 51.42 67.51
10 0.86 30.00 51.29 72.44
11 0.94 30.00 51.56 76.83
12 1.01 30.00 52.20 81.37
13 1.06 30.00 53.07 85.21
14 1.10 30.00 54.09 88.70
15 1.12 30.00 55.18 91.05
16 1.12 30.00 56.26 92.14
17 1.12 30.00 57.28 93.16
18 1.12 30.00 56.31 92.18
19 1.11 30.00 59.00 94.24
20 1.11 30.00 59.72 94.96
21 1.10 30.00 60.35 94.96
22 1.10 30.00 60.92 95.52
23 1.06 30.00 61.41 93.55
24 0.98 30.00 61.84 89.30
10.77 30.00 68.48 85.44
2 0.67 30.00 65.28 76.83
3 0.62 30.00 61.11 72.11
4 0.57 30.00 58.10 67.39
5 0.54 30.00 55.92 64.25
85
Comportamiento de temperaturas top oil y hot spot en transformadores sumergidos en aceite mediante el ingreso de carga de
vehículos eléctricos
top oil alcanza los 58 °C y la temperatura hot spot los 82
°C, en esas condiciones el transformador no presenta so-
brecargas y su vida útil no es afectada al tener un período
de recuperación de 23 horas al bajar su cargabilidad y
temperatura, cabe señalar que el transformador deberá
tener refrigeración de aceite forzado () para alcanzar
entregar los 187 máximos de capacidad instalada.
Para el cálculo de temperaturas se utiliza el soware
Matlab, mediante código se pudo evidenciar que el caso
de estudio más relevante con mayores temperaturas fue
el de carga de emergencia en corto plazo alcanzando una
cargabilidad del 180% en el incremento de carga instan-
táneo con temperaturas de hot spot de 150 °C y mante-
niendo valores normales en top oil debido a que solo es
un incremento de la carga por un tiempo corto, en estos
casos se evidencia un aumento excesivo y se debe tomar
en cuenta que solo puede ser por tiempos muy cortos de
sobrecarga, debido a que el uso prolongado de sobrecar-
ga puede afectar la vida útil del transformador.
La implementación de nueva carga de vehículos eléc-
tricos y generación distribuida con paneles fotovoltaicos,
se procede al tomar el perl de carga del proyecto Inov-
Grid de Portugal sumado al perl de carga de la tabla C.1
de la normativa C57.91-1995, dando como resulta-
do un aumento de la cargabilidad del transformador has-
ta en un 110% debido a que el perl de carga InovGrid
coincide con el perl de carga de caso inicial, cabe men-
cionar que la carga nueva tiene una demanda máxima de
1 hora de 22:00 a 23:00, en consecuencia, el transforma-
dor se mantendrá en condiciones normales de operación
al contar con un tiempo restante de recuperación a n de
que no sea afectada su vida útil.
referencias
[1] A. Naderian, P. Patabbi and L. Lamarre, «Improving
the assessment of remaining life of service aged power
transformers», Electrical Insulation Conference, Cal-
gary, Alberta, Canada, junio, 2019.
[2] Std C57.91-1995, « Guide for loading mine-
ral-oil-immersed transformers», Instituto de Ingenie-
ros Eléctricos y Electrónicos, Nueva York, 1996.
[3] PC57.119 (P838) (D13.1/1-29-96), Dra recom-
mended practice for performing temperature rise tests
on oil-immersed power transformers at loads beyond
nameplate rating5.
[4] A. Messias, «e inovgrid project: distribution network
evolution as a decisive answer to the new challenges in
the electrical», Sector. Edp Distribuição, 2009.
[5] I. Juárez, V, Larind, N. Vásquez, «Estudio de la vida útil
del transformador de potencia en servicio», Universidad
de El Salvador, Escuela de Ingeniería Eléctrica, El Salva-
dor, 2018.
[6] J. Castro, G. Gómez, O. Mata, «Índice de estimación
de la vida residual en transformadores eléctricos de
potencia basado en condición», Tecnología en Marcha.
vol. 35, .o 4, octubre-diciembre, 2022, pp. 71-83
[7] Guide for loading mineral-oil-immersed transformers
and step-voltage regulators, Standard C57.91, 2011.
[8] K. Lingming, M. Wenxiong, G. Xinyuan, L Tian, Z.
Fanke, C. Haitao, «Application of insulation aging eva-
luation method for distribution transformers in practi-
ce», Xplore, 2021.
[9] Guide for loading mineral-oil-immersed transfor-
mers and step voltage regulators, Standard C57.91,
2011.
[10] D3487-82a, Standard specication for mineral oil
in electrical apparatus.
[11] J. Chávez, «Análisis de generación distribuida a través
del diseño de un sistema fotovoltaico conectado al
chs031–Hidrandina . . Chimbote», Universidad Na-
cional del Santa, Nuevo Chimbote, Perú, 2022.
[12] Pérez-Arriaga, I., Knittle, C., «Utility of the future: an
mit energy initiative response to an industry in transi-
tion», Energy Initiative, Cambridge, , , 2016.
[13] , «Global ev outlook: to electric mobility», : Pa-
rís, France, 2019. [Online]. Available: https://www.iea.
org/reports/global-ev-outlook-2019.
[14] A. Bazurto, J. Zuñiga, D. Echeverría, C. Lozano, «Pers-
pectiva del transformador de distribución en redes eléc-
tricas con alta penetración de generación distribuida y
vehículos eléctricos», Universidad Militar de Nueva
Granada, vol. 26, .o 2, 2016, pp. 35-48.
[15] Trovão, J. and Pereirinha, P. (2011). Electric vehicles
chargers characterization: Load demand and harmonic
distortion. En 11th International Conference on Electri-
cal Power Quality and Utilization, Lisbon, pp. 1-7. :
http://dx.doi.org/10.1109/epqu.2011.6128871
[16] A. K. Karmaker, M. R. Ahmed, «Fuzzy logic based op-
timization for electric vehicle charging station in Ban-
gladesh», 1st International Conference on Advances in
Science, Engineering and Robotics Technology 2019,
pp.1-5. .
[17] M. Seredynski and F. Viti, «A survey of cooperative
for next generation public transport systems», in Proc.
19th Int. Conf. Intell. Transp. Syst. (), nov. 2016,
pp. 1229-1234.
[18] E. L. Karfopoulos, I. Athanasoglou, and N. Hatziar-
gyriou, «Ecient integration of electric vehicles in dis-
tribution networks with high share of renewable energy
sources», in Proc. Medit. Conf. Power Generat., Trans-
mission, Distrib. Energy Convers. (MedPower), 2016,
pp. 1-7.
