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Transformadores: una comparación entre líquidos y secos Jorge Oliveira Ingeniero Especificador para Venezuela

El transformador es un equipo esencial en cualquier sistema de distribución de potencia. Por ello es importante evaluar desde todas las aristas antes de escoger que tipo de unidad necesitamos para su implementación en cualquier proyecto.

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Contenido 1) Resumen 2) Introducción 3) Medio de enfriamiento del transformador 4) Tecnologías 5) Ventajas del transformador seco 6) Conclusiones 7) Referencias

1) Resumen En este documento se procura conocer la evolución tecnológica de los transformadores de potencia, profundizar en los tipos de transformadores más usados históricamente en el mercado, para así poder establecer una comparación entre los transformadores refrigerados por aceite y los secos. De esta forma se pretende contar con herramientas para comprender las mejores aplicaciones de cada uno. El transformador es un equipo esencial en cualquier sistema de distribución de potencia. Por ello es importante evaluar desde todas las aristas antes de escoger que tipo de unidad necesitamos para su implementación en cualquier proyecto. La importancia de este equipo hace que su selección sea tomada muy en serio, lamentablemente muchas veces la escogencia se basa en el costo inicial del equipo, siendo muy probable que los costos iniciales de una tecnología sean superiores en comparación con la otra, sin embargo, lo más correcto es tomar en cuenta todos los factores que inciden durante el ciclo de vida del equipo, donde el costo inicial puede no representar un factor tan determinante.

2) Introducción El Transformador es un dispositivo electromagnético estático, que transfiere energía eléctrica entre dos o más sistemas a una frecuencia de red constante operando bajo el principio de la inducción electromagnética. Este es un equipo que gracias a su capacidad de modificar parámetros de tensión e intensidad, hace posible la generación, transporte y consumo de energía eléctrica a tensiones más rentables según sea el caso, proporcionando además una tensión adecuada a las características de los receptores o cargas. Por ejemplo, para el transporte de energía, lo más eficiente es trasmitir a grandes tensiones, ya que las intensidades de corriente son menores y eso trae consigo la disminución de las perdidas y la menor sección de los conductores. Algunos de los factores más importantes a considerar en la selección de un transformador de potencia son: Capacidad — Los kVA´s nominales del transformador. Voltaje nominal — Voltaje del primario y el secundario del transformador. Sistema de aislamiento — Temperatura ambiente máxima, temperatura de las bobinas. Núcleo y bobinas – Material, forma, construcción, (conductores de cobre o aluminio). Sistema de aislamiento del devanado – Abierto, VPI, VPE, encapsulado.

Para la correcta selección de un transformador, es muy importante considerar, además de los parámetros eléctricos, también la aplicación y el lugar de instalación. Este análisis nos llevará a concluir consecuentemente, si lo más recomendable es emplear un transformador refrigerado por aceite o un transformador seco.

3) Medio de enfriamiento del transformador Un componente que hace la diferencia entre las tecnologías de los transformadores es el medio de enfriamiento, en los transformadores líquidos, las bobinas y el núcleo están totalmente inmersos en el fluido dieléctrico, y este se utiliza para enfriar los devanados y proporcionar un rendimiento óptimo. El más común es el aceite mineral, pero se pueden encontrar otros fluidos como aceites de silicón o hidrocarburos de alto punto de ignición. En los transformadores secos convencionales, el aire es el medio de enfriamiento básico. En este caso la calidad del aire puede afectar notablemente el funcionamiento del equipo. Pero en las unidades secas tipo Cast Coil, las bobinas se encuentran fundidas en una resina epóxica, lo que disminuye notablemente la influencia del medio ambiente en la operatividad del equipo.

4) Tecnologías En los transformadores de potencia la opción históricamente empleada ha sido los transformadores líquidos, cuyo aislamiento predominante de aceite y celulosa de papel ha proporcionado propiedades dieléctricas y térmicas satisfactorias, una relación costo-beneficio y dimensiones adecuadas y bajas pérdidas. Por lo que durante muchos años fue la opción más empleada, hasta que las consideraciones ambientales, los peligros ante posibilidad de fuego y el mantenimiento, salieron a relucir como un elemento importante en las últimas décadas. Para cubrir la necesidad de mitigar estos últimos factores la industria ha venido desarrollando transformadores aislados en líquidos con alto punto de ignición y con líquidos biodegradables, pero también evolucionaron de la misma manera el desarrollo de los transformadores secos.

4.1 Transformadores líquidos - Liquid Filled. Para los transformadores líquidos, el medio de aislamiento de aceite mineral ha sido lo más comúnmente empleado a lo largo de los años. Esta tecnología históricamente solía ser la opción primordial, su sistema de aislamiento básicamente consiste en aceite y papel de celulosa. Las unidades líquidas con aceite mineral ofrecen un costo inicial relativamente bajo, ofreciendo una relación entre las dimensiones del equipo y las perdidas muy atractiva. Adicionalmente, los

devanados al no estar en contacto directo con el medio ambiente, ofrece la capacidad de trabajar en medios ambientes contaminados. Si no fuese por las consideraciones ambientales, su contribución al fuego, posibilidad de fuga y su mantenimiento asociado, no habría necesidad de considerar otras tecnologías. Sin embargo, en los últimos años la mayor conciencia y el costo asociado a estos factores ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías. Entre ellas la utilización de componentes menos inflamables, tales como hidrocarburos de altas temperatura y siliconas con alto punto de ignición. Si bien para aplicaciones mayores a los 5 MVA ya pueden conseguirse en el mercado transformadores secos, dado lo consolidado de esta tecnología, los transformadores en aceite siguen siendo los más implementados.

Transformador en aceite

4.2 Transformadores secos Existen varios tipos de transformadores secos y sus medios constructivos varían dependiendo del fabricante. A continuación se presenta una breve descripción de los principales: -

VPI – Vacuum/pressure impregnation: El proceso constructivo se hace por inmersión y horneado. Se realiza un proceso de recubrir las bobinas con barniz (resina generalmente de poliéster) en un tanque de inmersión, alternando ciclos de vacío y presión, y las bobinas son procesadas (curadas) en un horno por varía horas. El medio dieléctrico de los devanados es el aire, por lo que el medio ambiente influye considerablemente en el sistema dieléctrico del bobinado. Por ello, la contaminación y principalmente la humedad afecta directamente estos equipos. Esto hace que tengan una aplicación limitada en ambientes polvorientos o de alta contaminación y que sea necesario tener estrictos cuidados durante su almacenamiento por la posibilidad de absorción de humedad. Desde el punto de vista de mantenimiento realizar la limpieza de sus componentes, resulta generalmente muy difícil, requiriendo un mantenimiento elevado.

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VPE – Vacuum/pressure encapsulation. Al proceso estándar del VPI se le añaden varias inmersiones para “encapsular” el conjunto de la bobina y luego se realiza el proceso de recubrimiento, en este caso con resina de silicona, luego de este proceso, el equipo es “curado” en hornos. Este tipo de tecnología fue originalmente diseñada para aplicaciones navales (ambiente marino), su proceso constructivo hace que este tipo de transformadores tenga protección ante la humedad. Otras ventajas son su mayor capacidad de soportar choques térmicos y un peso relativamente bajo.

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Cast Coil – sellado epóxico. Las bobinas son encapsuladas en resina epóxica en un proceso de moldeado, quedando selladas herméticamente para atribuirle una cero afectación ambiental a esta tecnología. La resina epóxica es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o «endurecedor», logrando en este caso el encapsulado (relleno) de las bobinas, así como un aislamiento y protección significativa para el transformador. Algunas características relevantes son, un costo inicial ligeramente más elevado, peso un poco mayor que los VPE pero menor a los líquidos, alta resistencia mecánica, protección ante cortocircuitos y mejor comportamiento ante sobrecargas. Vale la pena destacar que hasta ahora el desarrollo de esta tecnología es hasta los 36 kV.

Transformador seco

5) Ventajas del transformador seco Impacto ambiental • Mayor seguridad (bajo riesgo de incendio). Esto gracias a los materiales retardantes del fuego y auto-extinguibles. Logrando así un equipo con inflamabilidad reducida y emisión mínima de gases tóxicos. • Ausencia de líquidos de enfriamiento. No presentan riesgos de contaminación por derrame de líquidos y reducen drásticamente su propio aporte en caso de incendio. Disminuye la contaminación tierra/agua.

Instalación • Reducción de obras de construcción para instalarlo. No necesitan costosas obras de construcción, como áreas de drenaje, fosas colectoras para el aceite, rejillas de extinción y muros cortafuego, para evitar la propagación del incendio y el derrame de líquidos aislantes. • Instalación interna en los edificios. Gracias al bajo riesgo de incendio pueden instalarse al interior de los edificios, aunque estén próximos a recintos frecuentados por personas. Permitiéndose la instalación más cerca de las cargas de alimentación, con la ventaja de ahorrar costos de conexión y reducir las pérdidas en la línea de alimentación. Mantenimiento  Se caracterizan por menores costos de mantenimiento; ya que, el mantenimiento recomendado, aunque varía con el fabricante, generalmente consiste en una inspección visual, chequeo de todas las conexiones (se puede usar infrarrojos), y hacer una limpieza en las bobinas para evitar acumulación de sucio. Deben inspeccionarse sólo periódicamente para verificar que no se acumule polvo ni suciedad. Todo esto conlleva a un mínimo tiempo de parada por mantenimiento. Por otro lado, el mantenimiento preventivo para un transformador líquido, incluye además de la inspección visual, el chequeo del nivel y la temperatura del aceite, verificar que éste conserve sin alterarse las características dieléctricas propias (la rigidez dieléctrica de los aceites minerales disminuye significativamente ante la presencia de leves indicios de humedad), chequeo de los mecanismo de liberación de presión. Destacando que el análisis de aceite proporciona una evaluación muy precisa de la condición del transformador. Ventajas adicionales que ofrecen los transformadores tipo Cast Coil  Pueden funcionar en ambientes húmedos, con polvo, salinos o contaminados, además ofrecen una alta resistencia a los shocks térmicos.  Recuperación de los materiales al fin de su vida útil. La resina, se considera material inerte y los devanados primarios y secundarios pueden ser fácilmente reciclados.  Reducido espacio para la instalación. Se caracterizan por una reducción de cerca del 15% en las dimensiones y del 10% del peso en comparación con los transformadores sumergidos en aceite. Esto reduce los costos de transporte y montaje.

6) Conclusiones Escoger entre un transformador líquido o seco es mucho más difícil que hace veinte (20) años. Los nuevos procesos de sellado en los transformadores secos han creado unidades que pueden implementarse en ambientes donde sólo los transformadores líquidos eran los únicos considerados anteriormente. Si bien para potencias superiores a los 5 MVA se pueden conseguir unidades secas, en su mayoría los transformadores de altas potencias son líquidos. Para aplicaciones de uso exterior los transformadores líquidos son la selección predominante, sin embargo, los secos ofrecen en la actualidad soluciones competitivas (VPE/Cast Coil). Con los adelantos tecnológicos (diseños computarizados) los transformadores secos son capaces de ofrecer las mismas características eléctricas que los líquidos. La compra de un transformador es frecuentemente basada en el “costo inicial”, sin embargo, es importante considerar el ciclo de vida de la unidad y todos los costos asociados desde la fabricación del transformador, transporte, puesta en servicio, mantenimiento, y todo lo relacionado hasta el fin de su vida útil. El transformador tipo Cast Coil es una tecnología de equipos secos que provee las más novedosas prestaciones en mantenimiento, comportamiento bajo ambientes hostiles y características eléctricas.

7) Referencias -

ANSI C57.12.00. Standard general requirements for liquid-immersed distribution, power, and regulating transformers. 2010.

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ANSI C57.12.01. Standard general requirements for dry-type distribution and power transformers, including hose with solid cast/or resin-encapsulated windings. 2010.

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International Standard IEC 60076-13. Power transformers - Self protected liquid filled transformers. 2004.

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International Standard IEC 60076-11. Power transformers – Dry type transformer. 2004.

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Nunn Tommy, A Comparison Of Liquid -Filled And Dry -Type Transformer Technologies, Small Power Transformer Division South Boston, VA.

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