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Máxima seguridad en subestaciones eléctricas.

Redacción Energía de Hoy17/01/2018

Por Mariano Berrogaín, Local Product Manager ABB Spain

Introducción
Tradicionalmente, los transformadores secos de potencia se han empleado únicamente en aplicaciones de distribución e industria, con potencias y tensiones no superiores a 15 MVA y 36 kV.

El desarrollo global ha supuesto un importante crecimiento de las zonas urbanas, y ha motivado un aumento de la conciencia medio ambiental. Estas razones han llevado a ABB a dar un paso adelante en la innovación, y asumir el desafío tecnológico de ofrecer un transformador seco encapsulado que supere los actuales niveles requeridos en distribución, alcanzando los 72,5 kV y 63 MVA de potencia: solución denominada HiDry.

Pero… ¿qué es un transformador seco?
Es un transformador eléctrico de distribución o potencia, libre de aceites, que solamente emplea como medios aislantes aire y material sólido (basado en una mezcla de resina epoxi con cuarzo y reforzada con fibra de vidrio), que en caso de incendio absorbe el calor y reduce la temperatura de combustión.

Por lo tanto, los transformadores secos tienen la ventaja de no contener líquidos inflamables. De este modo se evita la ocurrencia de grandes explosiones y la propagación del fuego a través de líquidos que estén ardiendo. Además, los materiales sólidos empleados en la fabricación de los transformadores secos, tienen un comportamiento al fuego clase F1, siendo auto-extinguibles, por lo que la combustión del aislamiento sólido del transformador se detiene cuando se retira la fuente de ignición externa.

Y, ¿qué es un HiDry?
Es un transformador de potencia seco encapsulado capaz de alcanzar los niveles de sub-transmisión, es decir, de hasta 72,5 kV de nivel de aislamiento.

Potencia asignada

hasta 63 MVA

Descargas parciales

< 10 pC

Tensión primaria

hasta 72.5 kV

Clase aislamiento

F (155°C) o H (180°C)

Tensión impulso rayo

325 kV para IEC

350 kV para ANSI/IEEE

Clase ambiental

E2

Tensión inducida frecuencia industrial

140 kV para IEC

140 kV para ANSI/IEEE

Clase climática

C2

Tensión secundaria

hasta 36 kV

Clase fuego

F1

Grupo conexión

Y o D

Refrigeración

AN, ANAF, AFAF, AFWF

Regulación

17 posiciones

+ 8 x 1.25%

Envolvente

IP00
IP21 (indoor) a IP54 o IPX4D (outdoor)

Tabla 1: Características de los transformadores HiDry

¿Por qué elegir un HiDry?
Los transformadores secos no contienen líquidos inflamables, ni materiales explosivos, y en caso de producirse un incendio, los materiales aislantes utilizados se auto extinguen rápidamente. Como consecuencia, el riesgo de generación y propaganda de humos y el peligro para las personas y/o propiedades, queda reducido.

Gracias a la tecnología de sus bobinas encapsuladas al vacío, la solución HiDry presenta una gran resistencia a los cortocircuitos, así como un excelente comportamiento frente a cargas dinámicas (aplicaciones de tracción).

Desde el punto de vista medio ambiental, no existe riesgo alguno de derrame de líquidos que pueda causar contaminación del suelo o del agua.

Además pueden reducirse los costes totales de inversión y de operación de la subestación:

  • Reducción de la obra civil
  • Eliminación de sistemas de protección y anti-incendios
  • Facilidad de instalación y puesta en marcha
  • Ahorro en cables de baja/media tensión al poder situarse cerca de los puntos de consumo, reduciendo pérdidas en los cables
  • Mínimo mantenimiento requerido
  • Reducción de las pólizas de seguros del cliente
  • Rápida reparación en caso de incidente (posibilidad de reparación in-situ)
  • Mejora en la gestión de residuos al final de la vida útil

Los transformadores HiDry ofrecen las mismas funcionalidades que los de baño de aceite. Son adecuados para nuevas instalaciones, o para modificación y/o reemplazo de los ya existentes. Pueden emplearse para instalaciones de interior, o con una envolvente metálica apropiada para aplicaciones de exterior.

¿Dónde utilizar HiDry?
Esta característica de seguridad hace que los transformadores secos se utilicen en una gran mayoría de aplicaciones de interior y de seguridad crítica, principalmente en subestaciones urbanas y de interior, hospitales, centros comerciales, edificios de oficinas, centros de datos, fábricas de proceso continuo (químicas, papel, metal), centrales de energía, estadios deportivos, aeropuertos, redes de metro, etc

Además, las ventajas medioambientales que ofrece HiDry habilitan su instalación en zonas cercanas a acuíferos y reservas de agua, muelles y puertos, áreas con riesgo de incendio forestal, o diversas aplicaciones dentro del campo de las energías renovables.

¿Cómo se desarrolló el HiDry?

Intensivas simulaciones (basadas en elementos finitos FEM) combinadas con diseño de experimentos, tuvieron lugar durante el proceso de desarrollo, finalizando con la fabricación de un prototipo para validar todas las actividades previas.


Ello permitió a ABB desarrollar nuevos conceptos, y conseguir avances en nuestra configuración aislante compacta, utilizando aire y materiales sólidos. El uso de materiales aislantes de clase térmica F (hasta 155ºC) y H (hasta 180º), permite una eficiente refrigeración del transformador.

El logro de valores de descargas parciales por debajo de 10 pC (límite para transformadores secos según IEC 60076-11) también en unidades HiDry, verifica que los materiales aislantes y todo el conjunto del transformador están fabricados con una excelente calidad. Los transformadores HiDry de ABB han sido ensayados por encima de los límites garantizados con un gran margen de seguridad, proporcionando al cliente una tranquilidad absoluta.

Comparado con los transformadores de distribución, HiDry supone todo un desafío técnico. Varias disciplinas tienen que ser resueltas a la vez: eléctrica, magnética, térmica, y mecánica.
El análisis eléctrico por ejemplo, dio detalles de la distribución del voltaje dentro del arrollamiento durante el ensayo de tipo rayo.
Además, el modelo 3D para el campo eléctrico permitió identificar los caminos de descarga más críticos para darles solución.



El diseño del transformador HiDry es mucho más exigente y requiere un número de procesos especiales de fabricación tales como terminales de alta tensión con ejecución especial, aislamiento reforzado, piezas metálicas redondeadas, distancias eléctricas ajustadas y soportes especiales para incrementar las líneas de fuga.

Los campos magnéticos de dispersión pueden causar corrientes adicionales en los arrollamientos, que pueden crear a su vez pérdidas en carga adicionales y puntos calientes (hot spots). Estas “Eddy losses” dependen fuertemente del diseño de la bobina, principalmente en transformadores provistos de regulador bajo carga. En la posición menor hay una gran área de la bobina desenergizada, donde el campo de dispersión provoca fuertes corrientes adicionales, por lo que un análisis FEM es obligatorio para asegurar un diseño correcto.

Tras analizar todas las fuerzas dinámicas y esfuerzos durante un cortocircuito en un transformador de potencia de tipo seco, uno de los transformadores 31.5 MVA 66/22 provisto de regulador bajo carga (+8x1.25%) para el cliente Enel-Endesa, fue ensayado en CESI (Milan, año 2014) superando satisfactoriamente esta prueba a la primera, confirmando así la gran fiabilidad y excelente capacidad de esta tecnología para soportar cortocircuitos, comparado con las convencionales.

Ejemplos de instalaciones reales:
En el año 2012, en el estadio Fonte Nova en Salvador de Bahía, Brasil, se instalaron 2 x 25 MVA 69/11.95-13.8 kV con regulación bajo carga (+4/-12 x 1.25%)

A nivel nacional, en el año 2014 se reemplazaron 4 x 34 MVA, 66 kV / 22 kV, con RBC (+8x1.25%) en las subestaciones eléctricas de Osario y Arjona, en el centro de la ciudad de Sevilla, para la compañía Enel-Endesa.

Conclusión
HiDry es la solución en transformadores de potencia más segura dado que no existe riesgo de explosión y/o fuego, resultando también el más seguro para el medio ambiente al eliminar cualquier riesgo potencial ocasionado por fugas de aceite.
Para un propietario, operador y mantenedor de redes de potencia, esto significa gestionar con absoluta tranquilidad.

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