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44 anales de mecánica y electricidad / julio-agosto 2004

IntroducciónLos centros de transformación ha tenido

una impor tante evolución en los últimos30 a 40 años, desde los montajes clásicoscon celdas abiertas, tabiques en obra civil yembarrados al aire, hasta los modelos ac-tuales, se ha recorrido un largo camino,fundamentalmente dirigido al aumento dela seguridad para las persona y la fiabilidaddel material, a la reducción de espacios ytiempos de montaje. Aparecieron las celdasmetálicas, los edificios prefabricados, loscentros compactos y por último los cen-tros integrados.

La preocupación y sensibilidad de la socie-dad actual, por los temas medioambientales,obliga a la industria en general a replantearselos criterios de diseño y la utilización deaquellos productos y materiales potencial-mente peligrosos o contaminantes que pue-den ser sustituidos por otros menos proble-máticos.

El legítimo desarrollo de la sociedad nodebe ni puede hipotecar el futuro de la Tie-rra. Es el momento del desarrollo sostenible.

La industria eléctrica no puede ser ajenaa este hecho. El trabajo que hoy presenta-mos es una pequeña contribución en estesentido.

AntecedentesLos primeros pasos en el diseño y utiliza-

ción de los centros de transformación inte-grados en España datan del año 1995.Tienensu origen en la búsqueda de centros com-pactos que permitiesen reducir la superficiedel local necesario para su instalación, en elinterior de edificaciones. Dadas las superfi-cies entonces necesarias (>20m2) y las con-diciones de accesibilidad requeridas, la cesiónde estos locales, prevista en el reglamentode BT, suponía un coste importante para lospromotores inmobiliarios y una fuente defricciones entre éstos y las compañías distri-

Transformador ecológicoLos centros de transformación ha tenido una importante evolución en los últimos30 ó 40 años, desde los montajes clásicos con celdas abiertas, tabiques en obra civily embarrados al aire, hasta los modelos actuales, se ha recorrido un largo camino,fundamentalmente dirigido al aumento de la seguridad para las persona y la fiabili-dad del material, a la reducción de espacios y tiempos de montaje.Aparecieron lasceldas metálicas, los edificios prefabricados, los centros compactos y por último loscentros integrados.

Alvaro Herranz Zapata

Nuevos Desarrollos

Soluziona Ingeniería.

Eduardo Mascarell Gurumeta

Normalización Internacional Soluziona

Calidad y Medioambiente.

Antonio Vázquez Villot

Diseño, innovación y nuevas tecnologías

Unión Fenosa Distribución.

44-55 Transformadores 6/9/04 16:53 Página 44

buidoras de electricidad. Como consecuen-cia los locales conseguidos eran pocos y casinunca con las condiciones y emplazamientoadecuados.

El desarrollo de los centros integradoscon envolvente metálica permitió la reduc-ción de la superficie necesaria desde losmencionados 20m2 hasta 5 m2 para poten-cias instaladas hasta 630 kVA. Al mismotiempo, se obtenía una reducción en el cos-te total de los centros de transformacióndel orden del 50%. Por otra parte el centrose recibe totalmente conectado y probadode fábrica, mejorando notablemente la cali-dad y fiabilidad del conjunto de la instala-ción. Para la puesta en servicio solamente esnecesario conectar los cables de alimenta-ción de MT y las salidas de BT.También sesimplifica notablemente la obra civil de adap-tación y acabado del local.

El primer centro de este tipo fue instaladopor Unión Fenosa, en el año 1997, en la pro-pia sede de la compañía, en La Coruña. Di-cha instalación supuso entonces una auténti-ca revolución en el concepto de centros detransformación de distribución, se modificóel propio reglamento para su inclusión y fue elorigen de todos los diseños de centros com-pactos de diversos tipos que tenemos ac-tualmente en el mercado.

Conseguido el objetivo inicial de reduc-ción de espacio, empezamos a trabajar en eldiseño de un transformador ecológico, basa-do en el centro integrado, teniendo en cuen-ta diversos puntos de vista:• Utilización de materiales reciclables y/obiodegradables.• Eliminación de elementos tóxicos o conta-minantes.• Reducción de pérdidas (mejora de la efi-ciencia energética).• Reducción de ruidos y/o vibraciones (con-taminación acústica).• Aprovechamiento al máximo de la poten-cia instalada (mejora de las protecciones).

Todos estos aspectos fueron consideradosen las sucesivas mejoras introducidas en el di-seño de los centros integrados, hasta llegar alnuevo centro de transformación ecológico.

Características constructivas del centro de transformación

El transformador integrado frente almontaje convencional

El Centro de Transformación más co-múnmente extendido en Europa se confi-

gura con celdas en SF6 de entrada, salida yprotección del transformador, el propiotransformador y un tablero de baja tensióncon las protecciones de las distintas líneasde BT.

La protección de este Centro contra cor-tocircuitos en la línea se realiza mediante unfusible limitador de corriente, y la sobrecargaa través de un termómetro que mide la tem-peratura en el refrigerante del transforma-dor, dando orden de disparo al interruptorde la celda del transformador, cuando dichatemperatura alcanza un valor prefijado.

Transformador ecológico 45

Figura 1. Centro de transformación caseta tradicional

Figura 2. Centro de transformación integrado


El esquema típico de este Centro de Trans-formación se refleja en la Figura 3.

Cada conjunto funcional (celdas, trans-formador y cuadro BT) constituye una uni-dad independiente. La unión entre celdas ytransformador se hace mediante cable ais-lado y terminaciones enchufables, lo que li-mita en parte la compactación y mantieneposibles puntos de fallo. Lo mismo ocurrecon la conexión entre transformador y cua-dro de BT.

TRANSFORMADOR METÁLICO INTEGRADO

En el año 1995 Union Fenosa introdujo enEspaña este tipo de transformador, amplia-mente utilizado en América.

Este tipo de centro consiste en una cubametálica, en cuyo interior se encuentra tan-to el transformador como los elementosde protección y maniobra en medio aceite.El diseño adoptado por UF para el “pad-mounted” (montado en plataforma) es elque se muestra en la Figura 4. El esquemafuncional es el mismo utilizado hasta ahora,entrada y salida de la línea principal, consus correspondientes interruptores de ma-niobra de tres posiciones, transformadorMT/BT y tablero de BT con protección defusibles para las distintas líneas de baja ten-sión. La diferencia más impor tante resideen el empleo de una envolvente metálicacomún para todos los elementos y en con-secuencia la supresión de las bornas, termi-naciones y cables de conexión entre ellos.El elemento aislante utilizado para el con-junto es un fluido a partir de aceites vege-tales, cuyas características se describen másadelante.

Los componentes básicos implicados eneste diseño son los siguientes (ver Figuras5 y 6):• Interruptores del bucle: De tres posicio-nes, cerrado, abierto y puesta a tierra de lalínea, con maniobra en carga.• Interruptor de maniobra del transforma-dor. De dos posiciones, cerrado y abier to,también con maniobra en carga.• Protección termomagnética.• Fusibles limitadores de corriente de rangoparcial tipo ELSP.• Cambiador de tomas en vacío.• Válvula de sobrepresión.• Termómetro.• Nivel de líquido refrigerante.• Pasatapas MT apantallados.• Cuadro BT con bases seccionables encarga.


Figura 3. Disposición típica de Centro de Transformación de entrada y salida

3 celdas TransformadorDistribución

Cuadro B.T.

Figura 4.Transformador Padmounted

Posición Descripción1 Pasatapas de MT2 Interruptores maniobra de línea3 Fusible de alto poder de ruptura4 Protección sensible a temperatura y sobreintensidad5 Transformador6 Pasatapas de BT

Figura 5. Componenetes centro integrado Urbano

1

9

9

7 3 56

10


Con este diseño se eliminaron todas lasconexiones externas de M.T. y B.T. entre losdistintos componentes del Centro conven-cional, tales como el cable entre transforma-dor y celdas, pasatapas, terminales, cablesentre transformador y cuadro B.T., etc. conlo que se consigue un conjunto más simpley fiable, totalmente instalado y probado enfabrica.

NUEVO DISEÑO: CENTRO INTEGRADO FIN DE

LÍNEA

La experiencia adquirida en 9 años de uti-lización del CT Urbano, nos ha permitidodesarrollar un nuevo CT adaptado a las re-des de distribución subterránea en áreas ru-rales y semiurbanas. Este proyecto permite lautilización del transformador integrado fren-te al clásico centro de transformación enposte, en aquellas zonas donde la red nopuede ser aérea, y es necesario construir re-des radiales subterráneas.

El diseño básico (ver Figura 6) es similar alCT urbano, manteniendo el sistema de pro-tección del transformador (Interruptor ter-momagnético y fusibles de rango parcial), eli-minando los interruptores de maniobra delbucle. La maniobra del transformador se rea-liza con un interruptor de 3 posiciones: en-trada, salida y puesta a tierra del lado de la lí-nea. Las potencias de diseño son 100, 160 y250 kVA y tensiones de 15 y/ó 20 kV.

El sistema diseñado permite prolongar lalínea a un segundo transformador (ver Figura7) y desconectar y dejar aparcados y puestosa tierra los cables de alimentación.


Figura 7. Esquema de prolongación de línea

Figura 6. Componenetes centro integrado Urbano

Tabla 1. Características dimensionales

Tabla 2. Características eléctricas

1

2

9

3 6 87

5

10

Altura máxima

Anchura máxima (caja frontal)

Anchura máxima (ganchos)

Profundidad máxima:

100; 160 y 250 kVA

400 kVA

630 kVA

Distancia entre sus ruedas

1.382 mm

1.651 mm

1.863 mm

1.272 mm

1.531 mm

1.633 mm

1.540 +/- 10 mm

Características eléctricas Tensión más elevada del materialIntensidad de servicio continuoCorrriente admisible decorta duraciónTransformadorTensión más elevada del material (primario)Tensión asignada (secundario)Tensión soportada a impulso rayo:

PrimarioSecundario

Tensión soportada a frecuencia industrial durante 1 minPrimarioSecundario

Cambiador de tomas de 5 posicionesTensión de cortocircuito:

Hasta 400 kVA630 kVA

Potencias: 100, 160, 250, 400 y 630 kVATablero de Baja TensiónTensión asignadaTensión soportada a impulso tipo rayoTensión soportada a frecuencia industrial durante 1 minPasatapas enchufables de MTTipo atornillable sin carga 600 A (para centros E/S)Tipo enchufable 400 A (para centros fin de línea)

24 kV400 A16 kA

25 kV420 V

125 kV20 kV

50 kV10 kV

4,50%5%

420 V20 kV10 kV


Las características más destacables de es-tos centros de transformación las podemosver en la Tabla 1.

Protecciones del transformador

Funcionamiento térmico deltransformador

La carga máxima de un transformador estácondicionada por dos tipos de limitaciones:

Limitación térmica: Es aquella carga queproduce una elevación de la temperatura deltransformador por encima de un valor críti-co, lo que trae como consecuencia el enveje-cimiento prematuro de los aislantes y la re-ducción de la vida útil del transformador.

Los elementos de protección deben con-trolar fundamentalmente que la temperaturano supere el valor crítico, interrumpiendo elservicio cuando las sobrecargas alcancen di-cha temperatura.

Limitación económica: es la carga a partirde la cual el coste de las pérdidas por efectoJoule aconseja la sustitución del transforma-dor por otro de mayor potencia.

La característica crítica del transformadores una curva que representa el tiempo má-ximo que la máquina puede trabajar paraun tanto por ciento de sobrecarga determi-nado, sin que la temperatura del punto ca-liente sobrepase el valor crítico, es decir, sinque se produzca un envejecimiento apre-ciable en el transformador que acorte su vi-da útil.

Esta curva característica no es única, paraun determinado transformador sino que de-pende de una serie de factores que produ-cen el desplazamiento de la misma. Entreotros factores, los más importantes son lossiguientes:• Temperatura ambiente.• Régimen de carga anterior a la sobrecarga.

Temperatura ambiente: Al bajar la tempe-ratura ambiente el transformador admitiráuna mayor sobrecarga, es decir, la curva sedesplazará hacia la derecha. Por el contra-rio, una elevación de la temperatura am-biente, permitirá una menor sobrecarga yen consecuencia un desplazamiento de lacurva característica hacia la izquierda.

Estado de carga previa: La sobrecarga ad-misible será mayor si antes de producirse és-ta, el transformador estaba descargado. Porel contrario, un transformador con cargaprevia, admitirá menor sobrecarga.

De acuerdo con lo anterior una protec-ción contra sobrecargas, segura y eficientedebe adaptarse a la variación de la curvacrítica por los distintos factores que le afec-tan cumpliendo simultáneamente dos condi-ciones:• Desconectar siempre el transformadorcuando las cargas produzcan realmente tem-peraturas próximas a la crítica.• No desconectar nunca si las cargas sonsoportables por el transformador.

Protección tradicional de lostransformadores

La protección tradicional de los transfor-madores de distribución, ha estado basadafundamentalmente en elementos fusibles,tanto para las faltas en el primario como pa-ra sobrecargas en los mismos.

Este tipo de protección, es sensible única-mente a las intensidades, por tanto no tieneen cuenta las variaciones de temperaturaambiente ni el estado de carga previa deltransformador.

Además la reposición del servicio, requierela sustitución de los fusibles fundidos porotros de las mismas características, que de-


Figura 8.Temperatura ambiente

+50+20

-25

I/In1,5

100

T(min)

10

1

0

Figura 9. Estado de carga previa

Tª=120ºC Estado inicialcaliente carga = 2/3 Pn

Tª=120ºC. Estado inicial frío carga = 0

I/In1,5 2

T(min)

50

10

0


ben tener en existencia los equipos de man-tenimiento.

La amplia gama de transformadores en lared con distintas tensiones y potencias obligaa disponer de una no menos amplia gama defusibles diferentes lo que se traduce en unainversión material elevada, un mayor costeen la reparación de averías.

Además existe la posibilidad de colocaciónde un fusible inadecuado, bien por falta deexistencias, bien por error del operario, loque supone una falta de protección del trans-formador.

La incorporación del termómetro de con-tacto, supuso una importante mejora de laprotección contra sobrecargas, pero tiene unexcesivo retardo en caso de cortocircuitosfuertes del lado de BT, lo que obliga a la ac-tuación de los fusibles de MT y en conse-cuencia a la accesibilidad a los mismos parasu reposición.

Funcionamiento del InterruptorTermomagnético de Protección

El Interruptor MagneX (en adelante ITM,Interruptor Termomagnético) es un elemen-to de protección colocado internamente enel primario del transformador. Originalmentediseñado para proteger del mismo modoque lo hace el Interruptor automático delsecundario, existen actualmente dos versio-nes: monofásico y trifásico.

El ITM dispone de un elemento de cor-te que desconecta el transformador encaso de una elevación de la temperaturade tal magnitud que pueda dañar el aisla-miento de los materiales. Este elementode cor te dispara por la acción de un sen-sor, el cual actúa mediante la combinaciónde dos factores: el calor desprendido (RI2)por la corriente del primario que circula através del mismo y la temperatura delaceite del transformador en el que estásumergido. Una temperatura excesiva enel sensor produce el cambio de éste deuna condición ferromagnética a paramag-nética, perdiendo su capacidad de atrac-ción magnética, provocando así el disparodel interruptor.

Bajo condiciones de falta, el sensor sufreel efecto predominante del calor RI2 des-prendido provocando la rápida actuacióndel ITM de un modo similar al que lo haríaun elemento fusible. De hecho, las curvastiempo-corriente bajo falta son muy pareci-das a las de un fusible, ya que los rangosempleados en el diseño del sensor del ITM

han sido adoptados de estos mismos. Paracada potencia y tensión primaria del trans-formador, se ha seleccionado el sensor ade-cuado, ajustado a la curva de sobrecargaadmisible.

Sin embargo, a diferencia del funciona-miento del fusible, bajo prolongados perio-dos de sobrecarga, el sensor responde anteincrementos en la temperatura del aceite.Cuando el transformador experimenta tiem-pos prolongados de sobrecarga, ésta produ-ce un calentamiento sobre el núcleo y losdevanados. Este calor es liberado sobre elaceite que aumenta su temperatura. El sen-sor, en contacto con el aceite, lee dicha tem-peratura y reacciona provocando el disparodel ITM antes de que se llegue a una tempe-ratura de daño potencial de los aislamientosy/o bobinas.

Dicho de otro modo, a diferencia de unelemento fusible que solo ve la corrienteque circula a través de él, el ITM es sensible ala temperatura del refrigerante, se adapta alas condiciones ambientales y a los estadosde carga anteriores a la sobrecarga y actúasolo en caso necesario protegiendo la vidaútil del transformador.


Figura 10. MagneX nonofásico

Figura 11. MagneX trifásico


COORDINACIÓN DE PROTECCIONES CON EL

ITM

Cualquier información adicional sobre elorigen de la falta ante el disparo de una pro-tección en las líneas de distribución es in-mensamente útil. Se reduce el tiempo dediagnóstico, y por ende, el tiempo de reposi-ción además de mejorar la seguridad delpersonal.

Los fusibles limitadores, han demostradoen varias ocasiones escasa utilidad para laprevención faltas violentas de un transforma-dor. Sin embargo, su uso coordinado con elITM asegura una protección completa y efi-caz. Coordinados adecuadamente el fusible yel ITM, despejan la falta.

El repar to de funciones protectoras deltransformador es el siguiente: el fusible ope-ra frente a cortocircuitos en la Media Ten-sión, es decir, cuando el transformador estádañado, en todos los demás casos, actúa elITM.

La simplicidad del esquema de operaciónpermite el máximo aprovechamiento deltransformador frente a sobreintensidades.

EL ITM produce la desconexión del prima-rio del transformador ante un problema desobreintensidad y/o cortocircuito en la redde BT.

En caso de haber instalado en la parte debaja tensión, un tablero de BT, equipado confusibles para protección de las distintas sali-das, el ITM se coordina con éstos, de formaque si se produce una falta en una salida, tie-ne lugar la fusión de dichos fusibles antes delITM. De esta manera se evita la desconexióntotal del transformador por falta en una sali-da de BT.

Reducción de pérdidas

Primera fase. CCTT Compactos urbanos

Un punto importante en el diseño de lostransformadores compactos integrados fuela reducción de pérdidas, de acuerdo connuestra política estratégica de ahorro y efi-ciencia energética.

La reducción de coste y tamaño de loscentros de transformación, propició la insta-lación de mayor número de centros, de me-nor potencia instalada, acercando los CCTTal consumo y reduciendo drásticamente laslongitudes de la red de BT y en consecuen-cia las pérdidas, caídas de tensión y númerode faltas en dicha red.

Por otra parte, las características del par-que de transformadores MT/BT con un nú-mero creciente de máquinas, hacen que lu-gar a que cualquier ahorro unitario semultiplica por el número total de máquinasinstaladas, conectadas permanentemente a lared, con consumos medios que rara vez su-peran el 40% de la potencia nominal.

Ya en 1998 se consiguió una importantereducción de pérdidas en los transformado-res de distribución de ámbito urbano. (250,400 y 630 kVA) La Tabla 3 muestra los valo-res de las pérdidas en vacío y debidas a lacarga de los transformadores urbanos dedistintas potencias antes y después de 1998.

Esta reducción de pérdidas no supuso nin-gún incremento en el coste de los CCTT yaque vino acompañada del desarrollo, por pri-mera vez en Europa, de los mencionadosCentros de Transformación Compactos. Quecomo hemos visto son centros de reducidasdimensiones con una importante reduccióndel espacio y de los costes de instalación ymontaje en campo.

Para el cálculo de la energía ahorrada poresta reducción de pérdidas hay que tener encuenta cómo afectan éstas al funcionamiento


Figura 12. Coordinación ITM con fusible HRC

Tabla 3. Reducción pérdidas en CCTT urbanos

250

400

630

P0

3250

4600

6500

Pcu

3250

4600

6500

P0

480

730

1050

Pcu

2450

3650

5250

(W)

970

1150

1500

%

25

20

20

Antes 1998 1998 - 2005 Ahorro unitariokVA


de la máquina. Las pérdidas en vacío estánpresentes permanentemente a lo largo detoda la vida de la máquina por lo que se su-pone que el transformador está conectadolas 8760 horas anuales. Para las pérdidas encarga se ha supuesto un factor de carga del60 % de la potencia nominal como régimende carga normal en la mayor parte de nues-tros transformadores urbanos; además se hasupuesto que solo trabajan a ese régimendurante unas 4000 horas al año.

La Tabla 4 muestra el número de transfor-madores de tipo urbano instalados desde1998 hasta 2003, y la reducción de pérdidasanual conseguida por UNION FENOSA enesta primera implantación de los transforma-dores de pérdidas reducidas, con las hipóte-sis consideradas.

En términos generales en los últimos 6años, por la instalación de transformadoresde pérdidas reducidas, se ha conseguido aho-rrar un 21 % de la energía “no útil” que cir-cula por las líneas eléctricas para alimentarlas pérdidas de los transformadores instala-dos en ese mismo periodo.

Dicho de otro modo, la energía que se haahorrado en los últimos 6 años por la insta-lación de estos transformadores es el equi-valente a un generador de 667 kVA funcio-nando a plena carga durante las 8760 horasdel año. Supone además una reducción de ladisponibilidad de potencia instalada, superiora 1 MVA.Teniendo en cuenta el precio me-dio anual de la energía en el mercado libre(3,705 centimos _/kWh) unos 222.000 eu-ros anuales.

En términos medioambientales, conside-rando las referencias de datos de emisionesdel International Instituye for Energy Con-servation para Europa, estas pérdidas hanevitado la emisión a la atmósfera de aproxi-madamente 2.300 toneladas de CO2, 12,6toneladas de NOx y unas 37 toneladas deSO2 anuales.

Segunda fase. CCTT Compactossemiurbanos y rurales

Con objeto de mantener la senda iniciadaen el año 1998 con la reducción de pérdidasen los CCTT urbanos, nos planteamos ex-tender este planteamiento al resto de lostransformadores a instalar en la red, en espe-cial a los nuevos transformadores integrados,fin de línea, diseñados para las redes subte-rráneas semiurbanas y rurales, incluyendocomo premisa de diseño en dichos centros,una impor tante reducción en las pérdidas

totales respecto a las de los transformadoresactuales. Asimismo se analizó la posibilidadde una segunda reducción de las pérdidas enlos transformadores integrados urbanos.

Se trata de transformadores de 100, 160 y250 kVA, poniendo mayor énfasis en las pér-didas en vacío que en las pérdidas en cargaya que en estos centros, por la tipología delos consumos, los niveles de carga previsiblesson más bajos.

La Tabla 5 muestra la reducción de pérdi-das en los nuevos centros, partiendo de losvalores normales (UNESA) y teniendo encuenta los valores especificados actualmen-te. Se incluye también la segunda reducciónde pérdidas planteada para los transforma-dores urbanos, potenciando la reducción delas pérdidas en vacío frente a las pérdidasen carga.


Tabla 4.Ahorro de pérdidas en CCTT urbanos

250

400

630

TOTAL

559

1202

200

1961

Normales

5799

17755

4149

27703

Reducidas

4323

14004

3351

21678

(MWh)

1476

3751

798

5845

21 %

Pérdidas (MWh) Ahorro realkVA Núm Trafos

Tabla 6. Potencial de ahorro en UF

100

160

250

400

630

TOTAL

6245

4051

2801

3795

4720

21612

Normales

28175

25779

25041

48403

84395

211793

Reducidas

17936

17448

14207

28811

51004

129406

(MWh)

10239

8331

10834

19592

33391

82387

39 %

Pérdidas (MWh) Ahorro realkVA Núm Trafos

Ahorro de pérdidas porcentual total

Tabla 5. Segunda reducción de pérdidas

100

160

250

400

630

Po

320

460

480

730

1050

Pcu

1750

2350

2450

3650

5250

Po

200

320

400

600

850

Pcu

1750

2350

2450

3650

5250

(W)

120

140

80

130

200

%

6

5

3

3

3

Normales Reducidas Ahorro unitariokVA


Para valorar el alcance que tiene esta re-ducción de pérdidas, hemos realizado uncálculo de lo que esta reducción supondríaaplicada al parque actual de transformadoresde la empresa . Se han tomado como referen-cia las indicaciones contempladas en el docu-mento armonizado europeo HD 428. Un50% del parque se ha estimado con nivelesde pérdidas normales (consideramos norma-les los transformadores con pérdidas Unesa)y el 50% restante con 1,3 veces estas pérdi-das, por obsolescencia. El análisis se hace paralos transformadores indicados en la Tabla 7,que refleja el parque actual de la empresa,descontando los correspondientes a la Tabla4, instalados desde 1998, que ya se han consi-derado de pérdidas reducidas. Asimismo, seha supuesto un factor de carga del 40 %.

Es decir que la aplicación de estos nuevostransformadores, supondría en conjunto unareducción del 39% de la energía que se pier-de en los Centros de transformación actua-les, siendo este porcentaje de reducción del35% en los transformadores de ámbito ruraly del 41% en los de ámbito urbano. La re-ducción total de pérdidas sería en esta hipó-tesis de 82387 MWh/año.

Si hacemos el mismo ejercicio de traducirestos valores a algo más tangible, el ahorrosería equivalente en este caso, no a un pe-queño generador sino a un grupo térmicode 9,5 MW funcionando a plena carga du-rante las 8.760 horas del año. La reducciónde la disponibilidad de potencia sería de 15MVA. El coste de esta energía comprada en

el mercado libre sería aproximadamente de3.050.000 euros anuales.

Pasado a términos medioambientales, enel supuesto de sustitución de los transforma-dores existentes, por los nuevos, se conse-guiría una reducción de las emisiones a la at-mósfera de e unas 32.000 toneladas de CO2,164 de NOx y unas 480 de SO2 cada año.

Mayor aprovechamiento de la potenciainstalada

Otro punto impor tante en la reducciónde pérdidas de estos centros de transforma-ción, está relacionado con la cadena de pro-tecciones anteriormente expuesta. El sistemade protección permite trabajar al transfor-mador en régimen de sobrecarga, sin riesgode reducción de su vida útil o daño perma-nente. Es decir que para un régimen de car-gas muy variable durante las horas del día ycon puntas de carga de pocas horas de du-ración, permite la instalación de transforma-dores de menor potencia y por tanto conmenos pérdidas en vacío.

Dicho de otro modo. Si tenemos una puntade 200 kW durante tres horas al día, actual-mente instalaríamos un transformador de 250kVA, que supone unas pérdidas en vacío de400 W durante todo el año; si en su lugar ins-talamos un transformador de 160 kVA estaspérdidas permanentes serían de 320 W. Laspérdidas en carga serían superiores, pero dadoel régimen de carga, ese aumento tiene pocopeso en el cómputo anual, resultando en con-junto una reducción real de las pérdidas.

Si aplicamos esta consideración de instalarun transformador de potencia inferior, a un to-tal de 5000 transformadores, equipados conlas nuevas protecciones, ello supondría una re-ducción adicional de aproximadamente 5.000MWh/año, que pasados a términos “tangibles”,equivalen a un autogenerador de 600 kVA tra-bajando a plena carga todo el año, o también aunas emisiones de 2.000 toneladas de CO2, 12de NOx y unas 36 de SO2 cada año. Con uncosto de la energía comprada en el mercadolibre de 185.200 euros/año.

El refrigeranteEl refrigerante utilizado es el fluido FR3,

producto desarrollado por Cooper PowerSystems, a partir de aceites de semillas vege-tales, con diversos aditivos, especialmenteformulado para minimizar los riesgos de da-ño ecológico y contra la salud.Tanto el aceitecomo los aditivos empleados están califica-dos como alimenticios.


Figura 13. Biodegradabilidad

120

100

80

60

40

20

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

Fluido FR3 Material de referencia Aceite convencional

Tiempo transcurrido (días)

Biodegradación

%


Las semillas proceden de cultivos existentescomunes, por tanto a diferencia de lo que ocu-rre con los aceites minerales utilizan una mate-ria prima renovable y por tanto inagotable.

En el análisis frente a uno los ensayos detoxicidad más exigentes, el OECD G.L. 203,los resultados han sido superiores a otrosfluidos dieléctricos, alcanzando una tasa demortalidad cero. Igualmente la tasa de bio-degradabilidad cumple los requerimientos dela EPA (Agencia de Protección Medioam-biental) para materiales totalmente biode-gradables. Es totalmente biodegradable, tan-to en tierra como en ambientes acuáticos yno tóxico. La descomposición térmica pro-duce esencialmente CO2 y H2O, no puedeproducir Furanos ni Dioxinas. Es reciclable,no obstante en caso de partidas económica-mente irrecuperables puede utilizarse parasu conversión en biodiesel o su mezcla confuel-oil en calderas y hornos industriales.

Sus especiales características en estos as-pectos hacen que en EE.UU. no estén some-tidos a las normas federales para aceites usa-dos, sino a las regulaciones correspondientesa aceites comestibles. Se le aplica un tinteverdoso para distinguirlo de los demás flui-dos refrigerantes y destacar su carácter eco-lógico.

La Tabla 7 recoge las características típicas defluidos utilizables como dieléctricos en transfor-madores, en comparación con las del FR3.

Resistencia al fuego

El FR3 tiene un punto de flameo (“FIREPOINT”) de 360ºC y un punto de rupturadieléctrica (“FLASH POINT”) de 330ºC supe-rior a los valores que pueden obtenerse conotros fluidos tales como aceites de silicona, oésteres sintéticos y por supuesto muy superio-res a los aceites minerales convencionales.

Esto evita la necesidad de instalar sistemas fi-jos de extinción de incendios en los centros detransformación, de acuerdo con el apartado4.1 de la MIE.RAT 14. (Reglamento de Alta Ten-sión) Por otra parte, en instalaciones exteriorespuede evitarse la construcción de foso de re-cogida del aceite, de acuerdo con el apartado5.1 de la MIE RAT 15, teniendo en cuenta queen caso de derrame, no produciría contamina-ción en la tierra circundante, ni en las aguas su-perficiales o subterráneas, dado su carácter nocontaminante y totalmente biodegradable.

Esta característica del refrigerante le haceideal para su utilización en cualquier ambien-te o ubicación, con independencia del volu-men total de refrigerante.

Transferencia Calórica

El punto de ver tido (“Pour Point”, enadelante PP) y la viscosidad son dos carac-terísticas importantes para un fluido refri-gerante. El PP indica la temperatura míni-ma a la cual un aceite puede utilizarse ycumplir la función para la cual está pensa-do. La viscosidad es un parámetro impor-tante para facilitar la disipación de calor enun transformador, en especial en transfor-madores de circulación natural del refrige-rante (caso de todos los transformadoresde distribución).

El FR3 tiene un PP ligeramente alto, -21ºC, (elvalor ideal se establece entre -30ºC y -40ºC) ytambién es mayor su viscosidad a cualquiertemperatura que los aceites minerales con-vencionales. Esto se traduce en una circulaciónmás lenta del líquido refrigerante, que quedancompensadas por su mayor conductividad tér-mica y calor específico.


Figura 14.Variación del Flash&Fire Point según contenido aceite mineral

375

350

325

300

275

250

225

200

175

150

125

1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16

Fire Point Flas Point Límite reglamento

% Contenido aceite mineral

Tem

pera

tura

ºC

Tabla 7. Características diversos fluidos aislantes

56

33

8

324

360

-21

0,92

2,09

0,17

7,4

52

113

12

276

312

-22

0,87

1,88

0,13

7,3

45

9,2

2,3

147

165

-50

0,87

1,63

0,11-0,16

7-9

35-70

39

17

300

343

-55

0,96

1,5

0,16-0,17

10

45 a 70

14 a 29

4 a 6

250 a 270

300 a 310

-40 a -50

0,9 a 1,00

1,8 a 2,3

0,15

6,5 a 10

ASTM D877

ASTM D455

ASTM D445

ASTM D92

ASTM D92

ASTM D97

ASTM D1298

ASTM D1269

CPS

CPS

Rigidez dieléctrica (kV)

Viscosidad 40°C

Viscosidad 100°C

Fire Point °C

Flash Point °C

Pour Point °C

Densidad (kg/dm3)

Calor específico (J/g. °K)

Conductividad térmica (W/m.°K)

Coeficiente de dilatación (10^-4/°K)

Esteres sintéticos

Metodode ensayo

FR3 R-TEMP Aceites

convencAceitessilicona

Características


Por otra parte el coeficiente de expansiónvolumétrica es inferior al de los aceites mi-nerales convencionales.

Esta combinación de características hapermitido la utilización del FR3, en los trans-formadores, sin cambios en el diseño de losmismos, tanto en los devanados y disposi-ción del núcleo magnético, como en lostanques, incluidos los herméticos de llenadointegral, utilizados normalmente en trans-formadores de distribución.

Compatibilidad química

Su estructura química está compuesta deaceites vegetales. Es totalmente compatible conlos materiales aislantes y demás componentesutilizados habitualmente en transformadoresen aceite. El FR3 minimiza el deterioro del pa-pel por las altas temperaturas. Este punto ha si-do estudiado mediante ensayos de envejeci-miento acelerado del papel aislante, sumergidoen distintos tipos de refrigerantes, a alta tempe-ratura, que han permitido comprobar que estefluido alarga la vida útil de los aislantes y permi-te una mayor capacidad de sobrecarga.

Es totalmente miscible con el aceite mineralconvencional, manteniendo sus característicascon grados de contaminación relativamentealtos. Esto permite el rellenado de un trans-formador convencional con FR3 sin necesidadde eliminación total de los restos del aceitemineral, eliminado el tratamiento previo delimpieza o secado del mismo y el correspon-diente ahorro en materia de mantenimiento.

Rigidez dieléctrica

El FR3 presenta una rigidez dieléctrica su-perior a los aceites minerales convencionales

y a otros refrigerantes de alto nivel de infla-mabilidad como R-Temp o aceites de silico-na. Esta característica se mantiene con unosniveles de contenido de agua muy superio-res a los admisibles en aceite mineral con-vencional. Una humedad relativa de 200p.p.m. en este aceite vegetal, resulta equiva-lente a 10 p.p.m. en aceite minerales. Esto lohace muy adecuado para su utilización entransformadores con cámara de aire.

Actúa como agente secante para el papel ydemás aislantes del transformador, absorbien-do la humedad en los mismos, lo que colabo-ra en el aumento de la vida útil de éstos.

Otras características como la baja produc-ción de depósitos de coke y tendencia gase-osa muy baja y sus excelentes propiedadeslubrificantes, le hacen muy adecuado comomedio de aislamiento y extinción de arco, loque permite la instalación de los elementosde maniobra de línea y transformador (sec-cionadores en carga), en la propia cuba(Transformadores integrados).

Reducción de ruidosEl transformador de envolvente metálica uti-

liza como ya hemos dicho anteriormente acei-te como aislante. Dicho transformador ha derespetar los requerimientos que sobre sonori-dad hacen las distintas normativas, bien ameri-canas (ANSI- NEMA), bien europeas (CEI).

Los transformadores de distribución pro-ducen ruidos fundamentalmente de origenferromagnético. El ruido es producido en elnúcleo del transformador por la vibración delos cristales del hierro al cambiar de direccióncuando cambia la dirección del flujo magnéti-co. La magnitud del sonido variará en funciónde la densidad de flujo del núcleo, que a suvez es función del diseño del mismo y de latensión aplicada. Por ello para determinar elnivel de ruido producido por un transforma-dor, las mediciones deben hacerse, no sola-mente aplicando al bobinado la tensión no-minal, sino que es necesario comprobar elaumento del ruido cuando se aplican tensio-nes 110% a 120% del valor nominal.

Por su parte el aceite que envuelve toda lapar te activa de los transformadores, actúacomo aislante sonoro, absorbiendo parte delruido producido. Este hecho tiene comoconsecuencia que a igualdad de nivel de rui-do producido, este tipo de centros transmitemenor ruido al exterior, pudiendo ser mássilenciosos, debido al mayor volumen deaceite que contienen, respecto a los transfor-madores tradicionales.


Figura 15. Mantenimiento de la rigidez dieléctrica

64

54

44

34

24

14

40 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

FR3 R-Temp Aceite mineral convencional Aceite de silicona

Número de operaciones en carga

Rig

uide

z el

éctr

ica

(kV

)


El nivel de ruidos admisible para un trans-formador por la normativa internacional de-pende de su potencia, de la tensión aplicaday del método de ensayo.

Las normas NEMA y CEI coinciden en es-te aspecto, especificando para un transfor-mador de 101 a 300 kVA un límite 55 dB.Para transformadores de potencia superior,el nivel de ruido se establece en 56 dB.

Por hacernos una idea del nivel de ruidoque producen estos transformadores pode-mos tomar como referencia la Tabla 8.

Se calcula que un 70% de los españolessufren niveles de ruido superiores a los 65decibelios, umbral a partir del que se consi-dera inaceptable el ruido.

El nivel de sonido de diseño calculado pa-ra los transformadores de este tipo, hastaahora instalados y en servicio en la red deUnión Fenosa, es un 20% por debajo de losniveles establecidos por NEMA (y a su vezCEI), considerando aplicada al transformadoren servicio la tensión nominal.

Por otra parte para obtener el nivel máxi-mo permitido por las normas, la tensión dealimentación debería ser un 21% superior ala tensión nominal, por tanto muy por enci-ma de los valores máximos permitidos porlas normas de calidad del suministro.

Mediciones hechas en instalaciones con-cretas han permitido corroborar que los ni-veles de ruido reales son los indicados.

ConclusionesEste documento resume los criterios se-

guidos en el diseño de estos nuevos trans-formadores, basados en muchos años dedesarrollo y exper iencia de la industr iaeléctrica, incorporando nuevas exigencias

respecto de los problemas medioambien-tales y la necesidad de mayor eficienciaenergética.

Estos criterios de optimización han sidoaplicados con éxito en los centros de trans-formación integrados de envolvente metálica,que ya estamos utilizando en nuestras redes.

Las necesidades de diversificación y utiliza-ción de otras tecnologías igualmente válidasen la fabricación de centros de transforma-ción han llevado a Unión Fenosa a impulsarel desarrollo de centros compactos e inte-grados, en colaboración con fabricantes es-pañoles utilizando dichas tecnologías. Con lasmismas o muy similares prestaciones. Estoscentros están actualmente en su fase final dediseño, con posibilidades de fabricación enserie en pocos meses.

Todos los aspectos se han tenido en cuenta• Uso de materiales reciclables > Ahorro dematerias primas > ahorro de energía.• Refrigerante no tóxico y biodegradable>Ahorro en procedimientos eliminación>Ahorro de energía.• Seguridad en caso de incendio.• Menores pérdidas > Ahorro de energía.• Menor nivel producción de ruidos > Ahorrode medidas de corrección > Ahorro Energía.• Menor espacio ocupado.


Tabla 8. Niveles de ruido de referencia

Ambientes actividades/Aparatos-situaciones

Motor a reacción (a 10 mts). sirena de trasatlántico.Tracas de artificio

Martillo pilon (a 1m). Remachado de cisternas

Motocicleta a escape libre (a 1 m). Calderería. Manejo de martillo neumático

Discoteca.Tejeduría Mecánica. sierra circular. Rebabado. Sirena de coche (a 10 m)

Taller mecánico. Imprenta. sonajero (a 30 cm).Túnel de limpieza de coches

Interior de metro. Calle ruidosa. Bar animado. Niños jugando. Cadena de montaje

Conversación en voz alta. Oficinas.Almacenes. Extractor de humos (a 1 m).Tráfico rodado

Conversación sosegada. Restaurante. Comercio.Ventilador (a 1 m). Lluvia. Interiro de coche insonorizado

Aula (ruido de fondo). Calle tranquila. ronquidos. Oficina (ruido de fondo)

Sala de estar (ruido de fondo). Roce de laropa. Biblioteca. Mascar chicle

Dormitorio. Frigorífico (a 1 m)

Estudio de radio. Iglesia antigua vacía.Vuelo de un mosquito (a 2 m)

Cabina audiométrica. Laboratorio de acústica. ruido de la respiración

Umbral de audición de un joven sano promedio

Se oye la vida del propio cuerpo

Sensación

Produce sensación dolorosa

Sensación insoportable y necesidad de salir de este ambiente

Sensación molesta

Ruido de fondo incómodo para conversar

Nivel de fondo agradable para la vida social

Nivel de fondo necesario para descansar

Silencio inquietante

dB

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

-10

Tabla 9

Ahorro de energía�

Mayor eficiencia�

Menor contaminación�

La energía limpia es la que no se consume


transformador ecológico · pdf file · 2013-08-27necesario conectar los...

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