Dryformer

TM

nuevo transformador de potencia, sin aceite y con bajo impacto medioambiental Thomas Andersson, Stefan Forsmark, Albert Jaksts

Dryformer™ es un nuevo tipo de transformador de alta tensión sin aceite, basado en la tecnología de cables utilizada por primera vez en el revolucionario generador Powerformer™ de ABB. Refrigerado mediante circulación forzada de aire, dispone de nuevos arrollamientos formados por cables de polímero seco con conductores circulares. Dryformer ha sido proyectado en primer lugar para tensiones del primario de 36 a 145 kV y potencias nominales de hasta 150 MVA. La ausencia de aceite elimina el peligro de contaminación del suelo o del agua en caso de que se produzcan daños en el transformador y reduce mucho el riesgo de incendio o explosiones. El transformador Dryformer puede, por tanto, ser situado cerca de los puntos de consumo, por ejemplo bajo tierra o en lugares sensibles tanto desde el punto de vista urbano como ecológico. Dado que el campo eléctrico queda completamente confinado dentro del cable XLPE y que la superficie del cable está al potencial de tierra, Dryformer ofrece oportunidades únicas para optimizar el diseño de los transformadores de potencia.

D

ryformer™ es un nuevo transformador

campo propias de los diseños de transformado-

distribución del campo no uniforme, con una

de potencia de tipo seco que rompe

res de potencia convencionales.

alta intensidad del campo magnético en las

totalmente con la tradición. Basado en la misma

esquinas. Para reducir al mínimo las pérdidas

tecnología de cables de fuerza de alta tensión

Innovaciones

por corrientes de Foucault en el arrollamiento,

que la utilizada en el nuevo y revolucionario

En los transformadores de potencia conven-

los conductores deben ser transpuestos de

generador Powerformer™ [1] de ABB, está

cionales se utilizan conductores rectangulares

forma muy elaborada a lo largo del arrollamien-

construido con arrollamientos cilíndricos que

en los arrollamientos con el fin de maximizar

to. En la zona final del arrollamiento deben

eliminan las limitaciones de distribución del

la intensidad nominal. Esto da lugar a una

tomarse también medidas muy complejas para

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Transmission and Distribution

1 Comparación entre conductores circulares y rectangulares: de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, con los cables XLPE redondos (izquierda) la distribución del campo eléctrico es uniforme, no existiendo descargas parciales (a la derecha conductores aislados con papel).

E

Campo eléctrico

controlar el campo eléctrico y evitar las descar-

El aislamiento de aceite/celulosa de los arrolla-

cables convencionales con dieléctrico sólido de

gas parciales.

mientos rectangulares convencionales no permi-

alta tensión. Alrededor del conductor existe una

te alcanzar tales intensidades de campo.

capa semiconductora interior, seguida por un

De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, los conductores cilíndricos utilizados en los arro-

El cable dispone de una capa semiconducto-

dieléctrico sólido y una capa semiconductora

llamientos del transformador Dryformer distribu-

ra exterior que permanece al potencial de tierra.

exterior. El dieléctrico sólido es de polietileno

yen el campo eléctrico de manera uniforme 1 .

El campo eléctrico queda, por tanto, totalmente

reticulado (XLPE).

Otra ventaja de los conductores redondos es que

confinado en el interior del cable, brindando a

no existen aristas de pequeño radio, como ocu-

los fabricantes de transformadores toda una serie

bleado concéntrico’, dispone de un hilo central

rre en los conductores rectangulares, que limiten

de nuevas posibilidades para el diseño eléctrico

circundado por capas concéntricas de 6, 12, 18,

las intensidades máximas admisibles del campo

y mecánico.

24, 30, 36 y 42 hilos nominales. Cada capa se

El conductor, normalmente del tipo de ‘ca-

aplica según direcciones alternas de cableado.

magnético. Con los modernos materiales de aislamiento

Cable

La capa semiconductora exterior del cable

y técnicas de fabricación, actualmente pueden

Como ya se ha mencionado, los arrollamientos

permanece al potencial de tierra, lo cual tiene

fabricarse cables fiables para 500 kV e intensida-

utilizados en el transformador Dryformer están

varias ventajas. En primer lugar, no existe peli-

des de campo iguales o superiores a 15 kV/mm.

formados por un cable aislado similar a los

gro de que se produzca descarga parcial o efecto de corona en ningún punto del arrollamiento. Segundo, la seguridad del personal mejora de

Antecedentes históricos La tecnología actual de transformadores hunde sus raíces en los experimentos

forma substancial, ya que todas las superficies expuestas del transformador están al potencial de tierra.

con transformadores monofásicos de distribución que se realizaron en Hungría a principios de la década de 1880. A finales de dicha década ya se estaban vendien-

Revisión de los parámetros de

do en diversas partes del mundo, principalmente para suministrar electricidad a los

proyecto de los transformadores

sistemas de iluminación de las grandes ciudades. El primer sistema con transformador trifásico fue el sistema de transmisión de Hellsjön de 9,6 kV, instalado en Suecia en 1893. Estos primeros transformadores eran todos del tipo seco. El aceite mineral se utilizó por primera vez hacia 1906, cuando se hizo necesario construir transformadores para tensiones superiores a 20 kV y ahora, casi un siglo después, se sigue usando en los transformadores de potencia. Los avances tecnológicos han posibilitado tensiones de hasta 800 kV y potencias de hasta 1.000 MVA. Los transformadores tradicionales de tipo seco no permiten tensiones de salida superiores a 36 kV.

El diseño eléctrico y mecánico de los transformadores de potencia convencionales es bastante complejo, en parte porque hay que tener en cuenta los campos eléctrico y magnético, la temperatura y las fuerzas mecánicas que se influyen entre si. Puesto que el campo eléctrico queda totalmente confinado en el interior del cable es posible tratar uno a uno los parámetros de proyecto, tales como la distancia entre arrollamientos y la distancia entre arrollamientos y partes conecta-

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das a tierra. Al reducirse al mínimo las distancias,

da para el transformador Dryformer está basada en

Nuevas técnicas de fabricación

todo lo ha de tener en cuenta el ingeniero pro-

una redundancia del 100%. Por ejemplo, si es

El núcleo de Dryformer está construido de forma

yectista es el espacio necesario para garantizar

necesario un ventilador para mantener la tem-

parecida al de los transformadores convenciona-

una refrigeración suficiente.

peratura por debajo de 70ºC a plena carga, el

les y utiliza el mismo tipo de laminado. La única

transformador será suministrado con dos sistemas

diferencia es que se aplica pintura anticorrosión

uno de los aspectos más críticos del proyecto

de ventilador idénticos. Cuando la temperatura se

al conjunto del núcleo ya montado para contra-

de transformadores convencionales: la necesidad

eleva por encima de 70ºC suceden dos cosas:

rrestar la ausencia de aceite.

de tomar medidas que limiten la influencia del

se envía una señal de alarma a la sala de control y

campo eléctrico en las partes conectadas a

el ventilador de reserva se pone en marcha auto-

nales de aceite/celulosa difieren principalmente

tierra. Puesto que la distribución está totalmente

máticamente para enfriar al transformador hasta

en sus arrollamientos. En el caso de los transfor-

confinada en el interior del cable, no es necesa-

una temperatura menor que la de proyecto.

madores convencionales, los arrollamientos son

rio controlar el campo eléctrico en la zona

Al disponer de dos ventiladores, el transformador

la parte más sensible del proceso de fabricación.

final del arrollamiento, al contrario de lo que

puede ser sobrecargado temporalmente durante

Es necesario disponer de personal experimenta-

ocurre en los transformadores convencionales,

varias horas.

do para aislar con cintas de celulosa (principal-

El transformador Dryformer, además, elimina

tanto de tipo seco como de tipo de baño de aceite.

Dryformer y los transformadores convencio-

Cada uno de los ventiladores puede ser

mente a mano) el conductor desnudo y realizar

equipado opcionalmente con un regulador de

el devanado, que frecuentemente es muy com-

velocidad de frecuencia controlada para reducir

plicado. Es fácil ver que la fabricación y manipu-

potencia aumenta gradualmente a lo largo del

el consumo de energía en situaciones de baja

lación del cable aislado utilizado en el transfor-

arrollamiento de alta tensión, desde el lado del

carga y baja temperatura ambiente.

mador Dryformer simplifica el diseño y los pro-

La tensión inducida en un transformador de

neutro hasta el lado de la línea, cuando el trans-

ceso de fabricación.

formador es conectado a un sistema puesto directamente a tierra. Por lo tanto, el cable utilizado en el arrollamiento de alta tensión está sometido a diferentes esfuerzos eléctricos a lo largo de dicho arrollamiento. Una solución

2 Sistema de refrigeración por corriente forzada de aire. Un ventilador es para la carga continua, el segundo es redundante. Un regulador opcional de velocidad reduce el consumo de energía del ventilador cuando funciona a baja carga y a temperatura ambiente baja.

viable es, por tanto, utilizar un aislamiento de menor espesor en las primeras vueltas del arrollamiento e ir aumentando el espesor. Una forma de conseguir esto es utilizar diferentes dimensiones de cable a lo largo del arrollamiento, lo que permite aprovechar mejor el volumen del núcleo del transformador. Las temperaturas en el núcleo y en los arrollamientos pueden medirse fácilmente en el material real. Para refrigerar el núcleo y los arrollamientos se utiliza un sistema continuo mediante corriente forzada de aire 2 . Dryformer puede soportar sobrecargas de forma temporal hasta que la temperatura del arrollamiento más caliente alcance un nivel de 80ºC. La filosofía de refrigeración adopta-

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Transmission and Distribution

3 El transformador Dryformer da a las compañías eléctricas y a las autoridades locales más flexibilidad en cuanto a la situación de las subestaciones y facilita el cumplimiento de la legislación medioambiental.

para zonas urbanas densamente pobladas.

sión, puede estar situado más próximo al sistema

prueba en la propia fábrica, por lo que el fabri-

El Dryformer da a las compañías eléctricas

de distribución final. Hablando de forma general es

cante del transformador sólo tiene que realizar el

y a las autoridades locales gran flexibilidad en

posible situar el transformador allí donde se consu-

trabajo de devanado, menos complicado. Al que-

cuanto a la situación de las subestaciones 3

me la energía, dentro o fuera de los edificios, en

dar eliminada la manipulación de cintas de celu-

y hace más fácil cumplir las leyes y reglamentos

superficie o bajo tierra, e incluso fuera de la subes-

losa –un trabajo muy delicado– y todos los pro-

medioambientales locales. Las subestaciones

tación. Al acercar la alimentación de alta tensión al

cesos de manipulación de aceite, se reducen en

pueden ser proyectadas independientemente del

punto de consumo de energía, el transformador

gran medida los riesgos propios de la fabricación

transformador de potencia. Otros factores de

Dryformer reduce las pérdidas en los cables de

de arrollamientos de transformadores.

ahorro son la posibilidad de configurar óptima-

alimentación e influye de forma importante en el

mente la subestación, la menor necesidad de

coste de las líneas y cables.

El cable aislado del Dryformer se fabrica y

La simplificación de los procesos de fabricación y los ensayos previos en fábrica contribu-

equipos de extinción de incendios y la ausencia

yen también a reducir los plazos de entrega de

de foso de recogida de aceite.

los cables. El hecho de que el Dryformer no contenga aceite lo hace especialmente apropiado

La posibilidad de situar el transformador en zonas urbanas se representa en la figura 4 ,

Debido a que el Dryformer puede ser conectado directamente a los cables aislados de alta ten-

donde puede verse el efecto que tiene instalar el Dryformer 5 km más cerca de la carga. Desplazando el transformador, el cable de

Tabla: Ahorro debido a las menores pérdidas del transformador Dryformer™ al instalarlo 5 km más cerca del centro de carga (véase figura 4 ), expresado en términos de menores emisiones (kg/30 años) para diferentes países.

CO2

SO2

NOx

345.400

2.200

900

Canadá

1.870.000

8.400

4.700

Dinamarca

8.180.000

34.700

21.000

USA

5.601.000

21.500

14.000

Suecia

69 kV (en lugar de un cable de 25 kV) puede ser tendido directamente hasta el centro de carga, de lo cual resultan una pérdidas menores. En

4b se cuantifica este ahorro para un período de tiempo de 30 años (total 8,5 GWh o 280 MHh por año sin incluir las pérdidas del transformador). La reducción de pérdidas también puede expresarse en forma de menores emisiones (véase Tabla). No existe ninguno de los riesgos asociados al

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aceite, como la contaminación medioambiental, los

posibles riesgos asociados a los campos eléctri-

los transformadores de tipo seco. Para estudiar el

incendios y las explosiones. La ausencia de aceite

cos abiertos, ya que no queda al aire ningún

impacto medioambiental global de un producto

significa también que los transformadores de po-

elemento de alta tensión.

o sistema, desde la extracción de las materias primas hasta la gestión final de los residuos,

tencia de alta tensión pueden situarse cerca de los cursos de agua. Las centrales hidroeléctricas y las

Mantenimiento

inclusive la fabricación y utilización del sistema,

plantas de tratamiento de aguas son otras localiza-

Dado su menor número de componentes, el trans-

es necesario evaluar el ciclo total de vida útil.

ciones sensibles en que hay que garantizar que el

formador Dryformer necesita menos mantenimien-

Los resultados demuestran que Dryformer es

agua esté libre de contaminación.

to y ofrece más fiabilidad y disponibilidad que los

más inocuo para el medio ambiente que los

transformadores convencionales. La ausencia de

transformadores convencionales equivalentes.

Otra ventaja de la ausencia de aceite y de la confinación del campo eléctrico en el interior

aceite, además de simplificar y acortar los trabajos

del cable es que se eliminan los riesgos propios

de instalación, también elimina el riesgo de daños

Punto de vista económico

de la instalación de transformadores de potencia

debidos a explosiones o incendios.

Es un procedimiento común analizar la econo-

de alta tensión en edificios de gran altura.

mía de conjunto de las subestaciones antes de

Impacto medioambiental

invertir en equipos de potencia. Dicho análisis

uniones de cables en las zonas urbanas, en lugar

La protección del medio ambiental ha sido una

debe estudiar la inversión necesaria, los benefi-

de líneas aéreas, también puede eliminar los

de las primeras preocupaciones en la historia de

cios, el coste de explotación de la central, los

La utilización de cables de alta tensión con

4 Ahorro debido a las menores pérdidas del transformador Dryformer. La situación del transformador de potencia, 5 km más cerca de la carga, permite utilizar cables de 69 kV (en vez de cables de 25 kV) para cubrir la distancia. Cuantificado para un período de tiempo de 30 años, el ahorro total es de 8,5 GWh, equivalente a 280 MWh anuales (b).

Pérdidas en GWh (30 años) 69 kV

69 kV

10

20

30

40

a Cable de 24 kV ~(5 km )

Pérdidas en GWh (30 años)

10

69 kV

20

30

b Cable de 69 kV

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Transmission and Distribution

tipos de interés, etc. Son ejemplos típicos el aná-

Diseño eléctrico

en carga seco. Pronto presentaremos este nuevo

lisis del coste del ciclo de vida (LCC) y el análisis

De forma opcional, ABB puede optimizar el

desarrollo y también el nuevo tipo de terminación

de la rentabilidad del ciclo de vida (LCP).

Dryformer para sistemas ya existentes, para lo

de cable seco, también en fase de desarrollo.

Debido a la naturaleza de la tecnología

cual se evalúan los requisitos reales del sistema

actual de transformadores, los proveedores

real, entre ellos los siguientes:

Perspectivas

tienden a ofrecer prestaciones y características

■ Potencia nominal

En diciembre de 1999 se inició la explotación

de explotación similares. Dryformer ofrece

■ Tensión nominal

comercial del primer Dryformer en una central

más ventajas que los transformadores conven-

■ Regulación de tensión (número de escalones,

hidroeléctrica que la compañía sueca Birka

cionales, de modo que es fundamental para la

tensión por escalón)

Energi tiene en la costa este de Suecia. Esta uni-

evaluación considerar los costes totales, y no

■ Niveles de aislamiento (coordinación con

dad, dimensionada para 20 MVA y 140/6,6 kV

solo los iniciales.

otros componentes)

nominales, está alojada en una pequeña subesta-

■ Impedancia de cortocircuito

ción URBAN. El concepto URBAN fue desarrolla-

estudiados caso por caso:

■ Evaluación de pérdidas

do como solución para subestaciones en interio-

■ Costes relativos a la subestación, por ejemplo

■ Nivel de ruido

res, dimensionadas para hasta 170 kV nominales.

Los siguientes factores económicos deben ser

Las conexiones de llegada se hacen por medio

la localización geográfica, la configuración y la

de cables, en lugar de utilizar líneas aéreas.

eliminación de la fosa de aceite, etc.

Diseño mecánico

■ Protección y supervisión

La optimización del diseño mecánico es otra de

■ Instalación

las opciones que ofrece el Dryformer. Esto pue-

78/11 kV) ha sido instalada en mayo de 2000 en

■ Protección contra los incendios y explosiones

de ser necesario, por ejemplo, si los pliegos de

una de las centrales hidroeléctricas de Stora

■ Pérdidas

condiciones de los transformadores están tan

Energy, a las orillas de río Ljusnan, en Suecia

■ Fiabilidad (MTBF y MTTR )

anticuados que no responden a los requisitos de

Central.

■ Impacto medioambiental

un nuevo concepto de subestación o si se preci-

Existen soluciones alternativas para cada uno de

sa una solución especial de diseño para un lugar

los casos. Se ha desarrollado un modelo de evalua-

específico. Las posibilidades incluyen:

ción de costes para el Dryformer que permite cal-

■ Un diseño especial para instalación de la

cular el ahorro total para cada una de las ofertas.

envoltura en interiores o en exteriores

1

2

■ Situación especial de los equipos de

Paquetes de optimización

refrigeración

Las solicitudes de ofertas de transformadores se

■ Situación especial del conmutador en carga,

basan con frecuencia en pliegos de condiciones

terminaciones, etc.

La segunda unidad Dryformer (25 MVA

Autores Thomas Andersson Stefan Forsmark ABB Transformers AB Box 72 SE-771 80 Ludvika Suecia [email protected] [email protected] Telefax: +46(0) 240 78 41 90

anticuados, correspondientes a lo que el sistema era hace 10 o 20 años. El concepto del transfor-

Nuevo conmutador en carga seco

mador Dryformer crea unas posibilidades únicas

y terminaciones de cables

para la optimización del transformador y de la

Mientras ya se han suministrado las primeras uni-

red.

dades Dryformer para aplicaciones que no necesitan conmutador en carga, ya se encuentra en

1 MTBF = Mean Time Between Failures

Albert Jaksts ABB Corporate Research SE-721 78 Västerås Suecia [email protected] Telefax: +46 (0) 21 13 76 65

fase de desarrollo un nuevo tipo de conmutador

2 MTTR = Mean Time To Repair

Bibliografía [1] M. Leijon: Powerformer™, una máquina rotativa radicalmente nueva. Revista ABB 2/98, 21-26.

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