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Primer transformador de distribución con aislamiento sólido de todo el mundo

Un análisis de mercado realizado por ABB ha revelado la existencia de un alto potencial comercial para los transformadores de distribución con aislamiento sólido. ABB e Hydro-Québec han firmado un acuerdo de asociación, según el cual ABB suministra transformadores SIDT a Hydro-Québec y esta se encarga de desarrollar y comercializar la tecnología SIDT. Desde el 8 de Marzo de 1996 se encuentran en servicio en Hydro-Québec tres prototipos del SIDT (Tabla) 1 .

Un diseño único El diseño, único en su genero, del SIDT preUn innovador transformador de distribución con aislamiento sólido SIDT (Solid

senta cuatro componentes totalmente inte-

Insulation Distribution Transformer), desarrollado conjuntamente por ABB y la

grados 2 : un sistema de aislamiento sóli-

empresa canadiense Hydro-Québec, permite a las compañías eléctricas explo-

do, una carcasa o envoltura exterior de ma-

tar de forma económica sus sistemas de distribución de energía cumpliendo al mismo tiempo las normas medioambientales más estrictas. Los SIDT no sufren corrosión, son silenciosos, soportan unas condiciones climáticas muy severas y no contienen líquidos inflamables o volátiles. Debido a que eliminan el peligro de contaminación del suelo o de las aguas subterráneas, los SIDT son una solución ideal para sistemas subterráneos. Desde marzo de 1996 se están sometiendo a prueba con gran éxito unidades con una potencia máxima de 167 kVA en la red subterránea de distribución de Hydro-Québec.

urante años, muchas compañías eléc-

port d’énergie du Québec), ABB de Cana-

tricas han estado distribuyendo energía eléc-

dá y su socio Hydro-Québec han desarro-

trica a través de sistemas subterráneos. La

llado un transformador de distribución con

innegable popularidad de esta opción se ex-

aislamiento sólido (ver recuadro), también

plica por el hecho de cada vez son más las

conocido con el nombre de «SIDT» o

compañías eléctricas que están estudiando

«transformador verde», que permitirá evitar

enterrar la totalidad o parte de sus sistemas

dichos problemas.

eléctricos. Desafortunadamente, los equipos

venture formado por Hydro-Québec y ABB. CITEQ dedica sus esfuerzos a la investigación y desarrollo en el campo de bución de energía eléctrica. El CITEQ está estratégicamente situado en Varennes, próximo a la planta de transformadores eléctricos de ABB y al centro de investigaciones eléctricas IREQ (Institut de recherche en electricité du Québec). La sinergía creada por esta rentable beneficia tanto a los clientes como a los

bastante rápidamente a lo largo de los años,

suministradores.

lo que provocaba una serie de graves pro-

El 17 de Junio de 1997, el CITEQ

blemas. Uno de los más importantes es ob-

transfirió los derechos de fabricación y

viamente el riesgo de fugas del aceite dieléc-

comercialización de la nueva tecnología

trico utilizado en los transformadores con-

de transformadores a ABB. En la prime-

vencionales y en otros equipos de distribu-

ra fase del proyecto SIDT, una planta pi-

ción. Además de ser causa del posible fallo del transformador, dichas fugas pueden pro-

Claude Paradis

vocar incendios y violentas explosiones. Otro

Dr. Mohamed Chaaban

impacto importante es el peligro de conta-

CITEQ (Hydro-Québec/ABB)

minación del suelo y de las aguas subterrá-

nado CITEQ (Centre d’innovation du trans-

port d’énergie du Québec, es un joint-

asociación entre ABB e Hydro-Québec

subterráneos de distribución se corroían

Asociados en un joint-venture denomi-

CITEQ, Centre d’innovation sur le trans-

nuevos equipos de transmisión y distri-

D

neas.

¿Qué es el CITEQ?

Pierre P. Blouin Asea Brown Boveri Inc, Canadá

loto está proporcionando datos que permitirán perfeccionar el proceso de fabricación, reducir los costes de los materiales

y

normalizar

las

soluciones

técnicas. La segunda fase se concentrará en la producción en serie de estos transformadores.

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nético. Durante el proceso de fabricación, la resina se vierte en el interior de la envoltura del transformador, que actúa como molde.

Envoltura de material compuesto La envoltura exterior del SIDT es de un material compuesto, a base de fibra de vidrio, fibra de carbono y resina epoxídica. Es totalmente impermeable, resistente a la corrosión y no requiere mantenimiento alguno. Además, sirve también como refuerzo de la estructura del transformador.

Amortiguamiento del núcleo Durante la fase de polimerización, la resina epoxídica se retrae produciendo fuerzas mecánicas que actúan sobre el núcleo magnético. Esto da lugar a un significativo aumento de las pérdidas de marcha en vacío. El amortiguamiento del núcleo magnético ha sido desarrollado para contrarrestar este efecto. El amortiguamiento también compensa el impacto negativo de la dilatación y contracción del núcleo causadas por los grandes cambios de temperatura, reduciendo de forma considerable el nivel de ruidos del transformador y contribuyendo, por lo tanto, a crear un medio ambiente mejor.

Nuevo sistema de refrigeración Un nuevo sistema de refrigeración basado Primera serie de transformadores de distribución con aislamiento sólido, instalados en una cámara subterránea de Hydro-Québec

1

en termosifones controla la temperatura interna del transformador. Los termosifones están formados por un evaporador y un condensador 3 , elementos totalmente pa-

terial compuesto (composite), un sistema

Aislamiento sólido

sivos que no precisan suministro alguno de

de refrigeración interna altamente efectivo y

El sistema de aislamiento eléctrico está

energía exterior y no suponen peligro algu-

un amortiguamiento del núcleo magnético.

constituido totalmente por materiales sóli-

no para el medio ambiente.

La ingeniosa combinación de estos cuatro

dos, sin necesidad de medios dieléctricos

Un termosifón es un tubo metálico

componentes hace que el transformador de

convencionales líquidos o gaseosos. Con-

estanco 3 . Sus superficies interiores están

distribución con aislamiento sólido de ABB

siste esencialmente en papel aislante y re-

revestidas con un material capilar. El tubo

sea la opción ideal, tanto desde el punto de

sina epoxídica. Esta, que actúa como

contiene un líquido bajo su propia presión,

vista técnico como desde el punto de vista

medio dieléctrico, envuelve e impregna to-

que se introduce por los capilares humede-

medioambiental.

talmente los devanados y el núcleo mag-

ciendo todas sus superficies internas. La

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aplicación de calor en un punto cualquiera de la superficie del tubo de calor hace que

Tabla 1: Datos técnicos de los prototipos de transformadores SIDT en servicio en Hydro-Québec

el líquido en ese punto entre en ebullición y pase al estado gaseoso. Cuando esto ocurre, el líquido absorbe el calor latente de eva-

Tipo Potencia Tensión en el primario Tensión en el secundario Refrigeración Frecuencia Temperatura máxima Nivel de ruido Impedancia Pérdidas en vacío Pérdidas en carga Anchura Altura

poración. El gas, que entonces tiene una presión mayor, se desplaza dentro del tubo hacia un punto más frío, donde se condensa. Al condensarse, el gas transporta el calor latente desde la sección de entrada (sección del evaporador) hasta la sección de salida (sección del condensador) del tubo. Los termosifones tienen una conductividad térmica efectiva varios cientos de veces mayor que el cobre y pueden construirse de cualquier forma y tamaño.

monofásico 167 kVA 14.4 kV 347 V AN 60 Hz 100 °C 49 dBA 4.00 % 420 W 940 W 512 mm 1852 mm

Modelización térmica La decisión de utilizar termosifones para la refrigeración interna exigió realizar una serie

2

Componentes principales del transformador de distribución con aislamiento sólido (SIDT)

de estudios sobre el comportamiento de los termosifones y sobre los materiales para los mismos, con el fin de conseguir un diseño adecuado. La modelización según el

1 2 3 4

Núcleo Termosifones Envoltura exterior Devanados

H1, H2 X1, X2

Terminales de primario Terminales de secundario

método de elementos finitos tridimensionales permitió a los proyectistas predecir la distribución de temperaturas en el interior del transformador, en condiciones tanto estáticas como dinámicas 4 . El equipo responsable del diseño del SIDT pudo comparar los puntos calientes medidos duran-

2

te, por ejemplo, el ensayo de puesta en

2

carga con los valores predichos por el modelo térmico 5 . Esta modelización supuso un apoyo esencial para el diseño.

X2 X1

1

H1

La modelización demostró también que, con una disposición diferente de los devanados y del núcleo, se puede prescindir

3

del sistema de tuberías de refrigeración para unidades con potencia nominal igual o

4

inferior a 100 kVA.

Prestaciones de los termosifones

H2

Los termosifones evacúan gran parte del calor interno generado por los devanados y el núcleo magnético del transformador. En el caso del transformador utilizado por HydroQuébec se ha evaluado que la extracción de calor supone el 42 % de las pérdidas totales cuando el transformador está funcionando a

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23

T R A N S F O R M A D O R E S

1

2

7 4

5

do normalmente. El ensayo final tuvo lugar

los ensayos

en condiciones de funcionamiento riguro-

El SIDT ha sido sometido a una serie de en-

sas. Durante todo un mes se tuvo comple-

sayos de rutina, de tipo y especiales. Las

tamente sumergida una unidad bajo ten-

pruebas especiales fueron las siguientes:

sión en una solución salina con alto con-

• •

Resistencia a los cortocircuitos

tenido de cloruros. EL SIDT pasó con éxito

Ensayos de puesta en carga en frío

todas las pruebas, lo que permite afirmar

(cinco ciclos) 7 , 8

que tendrá una vida útil muy larga.

Baja temperatura Choque térmico Manejo

Ensayo de puesta

Mediciones del campo electromagnético

en carga en frío

Pruebas de inmersión en una solución

El ensayo de puesta en carga en frío es una

salina (un mes) 9

prueba especial exigida por Hydro-Québec.

Los ensayos de puesta en carga en frío 7

Durante el ensayo, los transformadores son

han demostrado que el SIDT puede funcio-

sometidos a cinco ciclos de calentamiento

nar normalmente durante 20 días bajo con-

que corresponden a unas condiciones ex-

diciones de carga estrictas. La durabilidad

tremas de servicio. El transformador fue ac-

a largo plazo de los termosifones se esta-

tivado durante el ensayo hasta su tensión

bleció haciendo pasar un conjunto de tubos

nominal. Cada uno de los ciclos incluía los

de este tipo por 1.000 ciclos de calenta-

siguientes pasos:

miento y enfriamiento. Después de 1.000

•

ciclos, los termosifones seguían funcionan-

Principio de funcionamiento del termosifón

3

Condensador Extracción de calor Vapor Material capilar Absorción de calor Evaporador Líquido

plena carga, es decir, a 167 kVA. Por lo tanto se reduce la temperatura en el punto más caliente, en el centro del transformador. A título de comparación, un transformador idéntico pero sin termosifones quedaría limitado a una capacidad de 100 kVA, teniendo una capacidad de sobrecarga limitada. Además, la temperatura en el punto interior

y z

más calientes llegaría a aproximadamente 140 ºC. La utilización de termosifones permite al SIDT superar este límite, es decir, aumentar la potencia, reducir la temperatura de los puntos calientes y aumentar la capacidad de sobrecarga 6 .

24

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Funcionamiento a plena carga, hasta que las temperaturas llegan al equilibrio

Modelo tridimensional utilizado para calcular la distribución de temperaturas en el interior del SIDT

6

1 2 3 4 5 6 7

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Comportamiento durante

• • • • •

3

D E

x

4

T R A N S F O R M A D O R E S

• •

Simulación de pérdida de energía duran200

Sobrecarga al 168 % durante tres horas

°C

Descenso de la carga hasta el 100 % 160

durante tres horas

•

D I S T R I B U C I Ó N

Sobrecarga al 140 % durante una hora te cuatro horas

• •

D E

140

Mantenimiento al 100 % de la carga hasta que la temperatura recupera su

120

estado de equilibrio T

100 80

Supervisión durante el

60 0

funcionamiento (fase de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

h 50

t

demostración) El 8 de Marzo de 1996 se inició una fase de demostración en colaboración con HydroQuébec. Tres unidades de 167 kVA (denominadas A, B y C), que constituían una unidad trifásica con una potencia nominal de 500 kVA, fueron sometidas a ensayos

5

Comparación de los valores medidos durante los ensayos de puesta en carga en frío y valores calculados con el modelo tridimensional T t

Temperatura Tiempo

Rojo Azul

Valores medidos Valores calculados

exhaustivos controlados en una cámara subterránea de Hydro-Québec. Dichos controles incluyeron mediciones on-line de:

• •

•

Carga en cada una de las unidades 10 Temperatura en el interior de la cámara subterránea 11

• •

Los resultados obtenidos demuestran que la

Temperatura en cada uno de los termosifones

tecnología SIDT se adapta muy bien a las se-

Temperatura superficial de cada unidad

veras condiciones de funcionamiento, típicas

Nivel de agua en la cámara subterránea

de las redes subterráneas de Hydro-Québec.

Capacidad de extracción de calor de los termosifones

6

P Potencia Tevap Temperatura en el evaporador Tamb Temperatura ambiente

7

Resultados de los ensayo de puesta en carga en frío T d

Temperatura Días

700 W

Rojo Verde Marrón Azul

T18 T37 T101 Intensidad del primario en pu

200 °C

600

160 500

140

400

120 100

300

80

P 200

T

60 40

100

20 0 0

10

20

T evap – T amb

30

40

50

60

70 °C 80

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

d

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8 Ensayos de puesta en carga en frío en una cámara climática. Se instalaron dos transformadores en la cámara y se mantuvieron allí hasta alcanzar la estabilización a –10 ºC. Seguidamente fueron activados y cargados durante una hora al 200 por ciento.

D E

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Prueba de inmersión: se sumergió un SIDT en una solución salina durante un mes para confirmar su seguridad y fiabilidad de funcionamiento en unas condiciones tan severas.

9

Patentes y propiedad

terráneas. Debido a que puede ser instala-

intelectual

do sin riesgo alguno bajo el suelo, elimina la

sólido no contienen líquidos inflamables o

El 12 de Agosto de 1997, CITEQ concedió

necesidad de utilizar las ruidosas y feas

volátiles, lo que elimina por completo el peligro de incendio y de explosiones.

una patente USA que cubría tres innovado-

subestaciones de los sistemas de superfi-

res aspectos del diseño del transformador:

cie. Se trata, por lo tanto, de un sistema

• •

Amortiguamiento del núcleo

verdaderamente respetuoso con el medio

Método de apantallamiento recurriendo

ambiente.

formadores de distribución con aislamiento

Características y ventajas

•

a un material compuesto (fibra de vidrio y de carbono)

•

No contiene líquidos inflamables o volátiles, eliminando por lo tanto el peligro de

Método de refrigeración con termosifo-

Fiable y seguro

incendio y limitando el riesgo de explo-

nes entre el núcleo magnético y el de-

El SIDT reduce el riesgo de perturbaciones

siones con consecuencias catastróficas

vanado de baja tensión

propio de los sistemas de distribución

La patente cubre varias combinaciones de

cuando las condiciones meteorológicas

estas tres innovaciones, aplicadas a un

son extremas, por ejemplo en caso de tor-

transformador que utiliza un medio dieléc-

mentas de nieve, huracanes, tornados y

trico totalmente sólido.

terremotos. Gracias a su diseño puede soportar las condiciones climáticas más severas, a la vez que su exclusivo aislamiento

Rentable y respetuoso con el

sólido, resistente a la corrosión, le confiere

medio ambiente

una vida útil más larga que la de cualquier

El SIDT elimina totalmente las fugas de acei-

otro tipo de transformador de distribución.

te, no sufre corrosión y soporta condiciones

No es necesario mantenimiento preventivo

ambientales estrictas durante mucho tiempo.

alguno y el SIDT puede ser enterrado direc-

Se trata de un sistema económico que puede

tamente en el suelo, permaneciendo en él

ser instalado sin riesgo alguno bajo tierra con

durante muchos años sin problema alguno.

costes mínimos.

Al optar por la tecnología SIDT, las com-

• • •

Elimina la contaminación del suelo Alta resistencia a los cortocircuitos Diseñado para funcionar bajo el agua y en ambientes húmedos, polvorientos y sucios

• • •

Funcionamiento silencioso Instalación vertical u horizontal Respetuoso con el medio ambiente, sin generación de productos contaminantes

•

Elimina los costes indirectos debidos al mantenimiento y supervisión

•

Reciclable

Resumen

El SIDT no supone riesgo alguno de con-

pañías eléctricas pueden reducir práctica-

El transformador de distribución con aisla-

taminación del suelo o de las aguas sub-

mente a cero el riesgo de fallos. Los trans-

miento sólido permite a las compañías eléc-

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tricas explotar sus sistemas de distribución de energía de forma económica, cumplien12 A

do a la vez las estrictas normas medioamPnom

bientales actuales. Diseñado para funcionar con alta fiabilidad en condiciones severas,

10

elimina los altos costes de repuestos pro8

pios de los transformadores convencionales. Gracias a la tecnología SIDT, que

6

corresponde al estado más avanzado de la técnica, las compañías eléctricas pueden

4

reducir los costes de mantenimiento, alma-

I

cenaje y eliminación de desechos, contri-

2

buyendo así a un futuro mejor y más de acuerdo con la naturaleza.

0 5.2.96

15.5.96 26.3.96

23.8.96 1.12.96 11.3.97 19.6.97 4.7.96 12.10.96 20.1.97 30.4.97 Direcciones de los autores Claude Paradis

Resultados conseguidos con las unidades de transformador de 167 kVA en servicio

10

Dr. Mohamed Chaaban CITEQ (Hydro-Québec/ABB) 1501 boul. Lionel-Boulet

I Intensidad en el primario Pnom Carga nominal (1 pu)

Azul oscuro Fase A Verde Fase B

Varennes, QC J3X 1P9, Canadá Telefax: +1 514 652 4182 E-mail: [email protected]

Resultados conseguidos con las unidades de transformador de 167 kVA en servicio

11

Pierre P. Blouin Asea Brown Boveri Inc

T

Temperatura

Azul oscuro Verde Rosa Azul claro

Temperatura media en los termosifones, fase A Temperatura media en los termosifones, fase B Temperatura media en los termosifones, fase C Temperatura del aire en la cámara subterránea

1501 boul. Lionel-Boulet Varennes, QC J3X 1P9, Canadá Telefax: +1 514 652 7797 E-mail: [email protected]

50 °C 40 30 20 10 0 T –10 – 20 5.2.96

15.5.96 26.3.96

4.7.96

23.8.96 1.12.96 11.3.97 19.6.97 12.10.96 20.1.97 30.4.97

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