1. Educación

Transformadores y subestaciones
Cómo sobrevivir a
un cortocircuito
Capacidad de los transformadores de potencia para resistir un cortocircuito
Thomas Fogelberg
El transformador de potencia es un componente vital para el transporte de energía eléctrica.
Gracias a los muchos años de conocimiento, experiencia y desarrollo avanzado acumulados en
los procesos de fabricación y pruebas, el transformador es ahora un aparato de alto rendimiento
con una extraordinaria fiabilidad.
No obstante, los transformadores no son los únicos componentes que han sufrido cambios.
El mercado eléctrico, de rápida evolución, está haciendo que las redes funcionen casi al límite.
Al mismo tiempo, la creciente demanda de nuevos transformadores, en combinación con los
elevados precios de los materiales, está presionando a los fabricantes y a sus proveedores.
Todos estos factores se unen para asegurar que la solidez de los transformadores sea más
importante que nunca.
ABB aprovecha su gran experiencia en la fabricación de
transformadores para suministrar equipos que
ofrecen un comportamiento
verdaderamente extraordinario
frente a los cortocircuitos.
24
Revista ABB 1/2008
Cómo sobrevivir a un cortocircuito
Transformadores y subestaciones
l ir aumentando las potencias y las tensiones de
transporte, cada vez se han
hecho más importantes los
aspectos térmicos y mecánicos de los transformadores,
tanto en términos del control
del sobrecalentamiento local
como en la necesidad de soportar las fuerzas electrodinámicas producidas por los fallos en los sistemas eléctricos.
Los transformadores de ABB
manejan en la actualidad 800
kV, las mayores tensiones de
transporte comercial en la actualidad. También manejan
valores trifásicos entre 1500 y
2000 MVA en aplicaciones
“intertie” y hasta 1200 MVA
en aplicaciones de elevadores
para generador.
1
La elección de los materiales representa un compromiso entre
pérdidas y precio de los materiales.
Debate cualitativo sobre la utilización de los materiales
Utilización óptima de los materiales con evaluación de
pérdidas normales y precios elevados de los materiales
Utilización de los materiales
A
100%
Antecedentes
La demanda de transformadores se esta
disparando en la actualidad como lo
hizo después de la Segunda Guerra
Mundial. Entonces, los mercados de
Europa y América estaban surtidos por
proveedores nacionales que invirtieron
al máximo para cubrir la demanda de
las compañías eléctricas y de los servicios públicos de control estatal. Se efectuaron instalaciones de 400 kV a 800 kV
de CA. Era también una época en la
que se publicaron numerosas normas
internacionales IEC y ANSI.
La primera señal de cambio en la demanda apareció a principios de la década de 1980. A finales de la misma, la
industria de sistemas eléctricos había
experimentado su mayor cambio desde
los inventos de Edison y Westinghouse.
Los últimos 25 años se han caracterizado por una enorme consolidación global en los dos frentes de los equipos
eléctricos: suministradores y usuarios.
Un negocio completamente nacional se
ha transformado en uno totalmente
mundial, lo que ha traído consecuencias
en los aspectos comerciales y de adquisiciones. El aspecto de las adquisiciones,
además, ha tenido que tener en cuenta
los mercados de materias primas, muchos de los cuales ya no se encuentran
en la situación tradicional de equilibrio.
Los cambios en las redes vinieron motivados por razones lógicas para una
apertura de los mercados que permitiera
el comercio y las interconexiones regioRevista ABB 1/2008
Pr
ec
Pr
ec
io
Utilización óptima de los
materiales con evaluación
de pérdidas normales y
precios de los materiales
Baja
io
ele
ba
jo
va
de
do
de
los
Normal
los
ma
ter
ma
Límites técnicos de
la densidad de flujo,
densidad de
corriente, emisiones
acústicas, esfuerzos
mecánicos
ter
iale
iale
s
Pruebas
s
Alta
Evaluación de pérdidas
2
Además, la creciente demanda de transformadores está
llevando a las fábricas y a sus
proveedores de materiales a
los límites de su capacidad, lo
que aumenta los tiempos de
entrega.
Entretanto, el crecimiento en
la demanda de utilización de
las redes está sobrepasando
las nuevas inversiones, lo que
hace que cada componente
trabaje casi al límite.
Los fallos producidos por cortocircuitos
siguen siendo una causa importante de
las caídas de transformadores.
ICortocircuito
nales. Los interlocutores políticos deseaban que existiera una mayor competencia. En consecuencia, muchos entes
públicos se transformaron en compañías
con ánimo de lucro. La producción, el
transporte y la distribución se repartieron entre entes separados, por lo que el
papel del transporte se hizo más débil y
menos claro. En particular, se ha hecho
más difícil conseguir una responsabilidad colectiva. Se ha considerado que las
fluctuaciones en los precios afectan a
los clientes finales y las inversiones a
largo plazo en infraestructura han
cambiado al horizonte del corto plazo.
Para el mercado de transformadores en
concreto, los cambios de mayor importancia de los pasados años se han debido a la enorme demanda de energía
eléctrica en regiones como Asia, Oriente
Medio y Sudamérica. Además, el denominado “viejo mundo” ha tenido que
reinvertir, puesto que su parque de
transformadores tiene ya de 40 a 50
años. Estos desarrollos se han incrementado además por cuestiones medioambientales.
La prueba de los nuevos
transformadores es la mejor
demostración de su calidad.
Los diseños actuales, marcados por los altos precios de
los materiales y unas escasas
evaluaciones de las pérdidas, están llevando también a que los materiales trabajen casi al límite y se vean expuestos
a mayores cargas que nunca 1 .
Las pruebas de aceptación que se refieren a aspectos del dieléctrico están bien
cubiertas por las normas internacionales
que se han desarrollado a lo largo de
los años. Sin embargo, la prueba de la
integridad mecánica y térmica de los
nuevos grandes transformadores GSU
(elevadores para generador) y de “intertie” sigue siendo un campo en el que
los puntos débiles del diseño y la producción pueden pasar inadvertidos.
Este artículo trata sobre todo de la
forma en que el diseño, la producción,
la cadena de suministro y la filosofía de
pruebas de ABB verifican los aspectos
mecánicos de los grandes transformadores de potencia; en otras palabras, de
su capacidad para superar una prueba
de cortocircuito.
Fiabilidad
Los sistemas de potencia modernos
son mecanismos complejos con un gran
número de piezas de aparatos. Para
asegurar un funcionamiento fiable, es de
máxima importancia que determinados
elementos clave, como los grandes
transformadores de potencia, tengan
un elevado grado de disponibilidad que
minimice las caídas de componentes o
de bloques enteros de generación de
electricidad.
Se admite que la capacidad para soportar un cortocircuito es una característica
esencial de los transformadores de potencia. Las normas IEC e IEEE, así como
25
Cómo sobrevivir a un cortocircuito
Transformadores y subestaciones
Las fuerzas electromagnéticas tienden a
minimizar la densidad de energía magnética.
3
Cuadro
Atributos de los transformadores de
potencia fabricados por ABB
Un transformador a prueba de cortocircuitos
tiene las siguientes características:
Diseño y tecnología con solidez mecánica
Basado en mecánica básica
Verificado mediante muchas pruebas de
cortocircuito
Estructura rígida para sujeción del núcleo
que proporcione resistencia a los cortocircuitos y para el transporte
Fabricación de precisión determinada por
tolerancias estrictas y sistemas de calidad
Mandriles rígidos de bobinas
Procedimientos verificados de prensado y
secado
Diseño y sujeción rígida de las bobinas de
baja tensión
Recomendaciones
¿Qué unidades merece la pena considerar
para las pruebas de cortocircuito?
Transformadores elevadores para generador y unidades auxiliares de centrales
eléctricas
Transformadores de alimentación claves
en las subestaciones o grandes centrales
de carga
Transformadores estratégicos de “intertie”, transformadores de sistemas de triple
devanado (terciario), autotransformadores
Transformadores con conexiones para
devanado de partición axial
Serie de transformadores, listos para
llevar
Siempre para transformadores de
alimentación de vías
Transformadores conectados a redes de
las que se sabe que tienen muchos fallos
y altas corrientes de fallo
Todos los diseños/contratos de transformadores de potencia deben ser comprobados
mediante revisiones de diseño de acuerdo
con la IEC 60076 – Parte 5 (2006-02)
26
otras de carácter nacional, requieren en
consecuencia que los transformadores
de potencia tengan que ser resistentes a
los cortocircuitos e indican cómo debe
verificarse esta propiedad. Por desgracia,
es evidente que el asunto no es tan sencillo como parecen sugerir las normas.
Los fallos producidos por cortocircuitos
2 siguen siendo la causa principal de
las caídas de transformadores, si bien las
tasas de fallos son muy variables en los
distintos países y sistemas, en función
de diversas circunstancias, características
de las redes y equipos instalados.
Actualmente, las regiones en rápido
desarrollo, con una demanda de energía
eléctrica de fuerte crecimiento, están
añadiendo a sus sistemas cada vez más
capacidad de producción e interconexiones. Además de esto, el mundo
occidental se caracteriza por:
El crecimiento del comercio transfronterizo de energía eléctrica (lo que lleva
a que las redes trabajen casi al límite
físico)
El desarrollo de generación eólica
(que se integra frecuentemente en la
red sin tener en cuenta la capacidad
disponible)
Flujos de carga variables
Componentes envejecidos de las redes
Condiciones modificadas para la operación de las redes
Estos factores colocan a los transformadores, tanto nuevos como viejos, en
situación de exposición a cortocircuitos
graves.
ABB ha conseguido unos transformadores con unas cifras de fiabilidad increíbles. Esta es la consecuencia de un
trabajo dedicado al desarrollo, una larga
experiencia en la fabricación de transformadores en las condiciones de servicio
más exigentes y un seguimiento meticuloso de los incidentes que se producen
en las pruebas y en el funcionamiento.
Hace diez años, ABB presentó un concepto comercial: TrafoStarTM. Este concepto integra herramientas de ingeniería, precisión de fabricación, proveedores de primera fila con especificaciones
de materiales comunes, sistema de gestión de pruebas y calidad. Éste se utiliza
ahora para grandes transformadores
de potencia en 14 centrales de todo
el mundo. Desde el comienzo de
TrafoStarTM, se han fabricado 10.000
transformadores de potencia siguiendo
este concepto, de los cuales 2.000 unidades son GSU y transformadores de
“intertie” muy grandes. Cada año se
fabrican más de 1.500 transformadores
de potencia de más de 60 MVA.
Consideraciones sobre el diseño
¿Cómo afectarán todos estos cambios al
diseño actual y a la fiabilidad y disponibilidad futuras? A la vista de la creciente
demanda, entrarán en el mercado muchos nuevos proveedores y también se
incorporarán fabricantes de la rama de
la distribución al sector de los transformadores de potencia. Al mismo tiempo,
el gran aumento del precio de los materiales, combinado con la clásica subestimación de las pérdidas, hará que aumenten las cargas y disminuyan los
márgenes de seguridad.
La rigidez mecánica de un transformador será en el futuro el factor más
importante de su comportamiento.
Hay tres razones para ello:
Soportar los esfuerzos de los
cortocircuitos
Requisitos sísmicos
Manipulación durante el transporte
La fuerza producida en un cortocircuito
puede aumentar las cargas mecánicas en
cientos de toneladas en milisegundos.
Los picos de corriente y las fuerzas correspondientes dependen de muchos
factores. En los sistemas de alta tensión,
el tipo más probable de cortocircuito
es un arco de fase a tierra, causado
normalmente por condiciones atmosféricas tales como un rayo que caiga en la
línea, el fallo de un equipo en la estación, la contaminación en los aislantes y
otras causas similares. A veces, los fallos
por cortocircuitos acaban en otros más
amplios, como fallos de una fase a tierra
que se transforman en fallos de dos
fases a tierra e incluso de tres fases a
tierra. La gravedad relativa de los distintos tipos de fallo depende de las características del sistema. Por otro lado, existen factores, como la resistencia al arco
y las impedancias de la red con tierra,
que ofrecen ciertos efectos compensatorios. La gravedad de un cortocircuito y
de la corriente de pico y de las fuerzas
depende en gran manera del estado de
la instalación, y en particular del valor
de la impedancia en cortocircuito del
transformador y de la potencia aparente
de cortocircuito de los sistemas.
La configuración de fallo que produce
normalmente los mayores valores de la
intensidad que atraviesa cualquier devanado del transformador es el fallo trifásiRevista ABB 1/2008
Cómo sobrevivir a un cortocircuito
Transformadores y subestaciones
co simétrico. Por ello, es importante utilizar este modo de fallo como criterio
básico de diseño para el transformador.
Cuando se considera la producción de
cortocircuitos en los transformadores de
potencia, el primer paso es evaluar las
intensidades de fallo que tengan un valor muy alto y que afectarán a los devanados en conexión con los diversos tipos de fallos que es probable que sufra
la unidad durante su funcionamiento.
Cuando se determina la magnitud de
las intensidades, se utiliza el análisis
de circuitos y la teoría de componentes
simétricos. Se realizan los cálculos mediante programas automatizados, donde
las características del sistema y del
transformador constituyen los datos de
entrada.
Cálculo de las fuerzas para los modos
de fallo
Las fuerzas electromagnéticas tienden a
deformar los devanados, de tal forma
que se reduce la densidad magnética almacenada en su volumen. En el ejemplo
de un transformador con dos devanados, esto supone que el devanado interior tiende a reducir su radio y el exterior a aumentarlo. En la dirección axial,
los devanados se comprimen, con lo
que se reduce su altura 3 .
Las fuerzas y los correspondientes criterios para resistirlas se dividen en dos
componentes:
Fuerzas radiales
Fuerzas axiales
Los modos de fallo para las fuerzas
radiales incluyen:
Pandeo de los devanados interiores 4a
Estiramiento de los devanados
exteriores
Arrollamiento de las vueltas finales de
los devanados helicoidales 4b
Los modos de fallo para las fuerzas
axiales incluyen:
Colapso mecánico del aislamiento del
yugo, los anillos y las placas de presión, y las sujeciones del núcleo
Basculamiento del conductor
Flexión axial del conductor entre los
espaciadores
Posibles fallos iniciales del dieléctrico
dentro de los devanados, seguido por
el colapso mecánico
Se calculan las fuerzas axiales con programas que se basan en el método de
los elementos finitos (FEM) que tienen
en cuenta todos los desplazamiento
axiales producidos por las tolerancias de
fabricación y el paso en los devanados
helicoidales. Se dimensionan los devanados para que resistan las máximas
fuerzas de compresión, incluidos los
efectos dinámicos.
Una característica importante de la tecnología de cortocircuitos de ABB es que
los devanados interiores sometidos a
compresión radial se proyectan para
que sean totalmente “autoportantes” por
lo que se refiere a cualquier colapso por
pandeo libre. Por esta razón, en cualquier diseño de transformador de ABB
se ignora deliberadamente cualquier
contribución (que, de por sí, suele ser
discutible) a la estabilidad proporcionada por los apoyos radiales desde el
núcleo a los devanados o desde un
devanado a otro1). Esto representa que
la estabilidad mecánica del devanado
viene determinada por la resistencia
mecánica del cobre (punto de fluencia)
y la geometría del conductor. El enrollamiento de los devanados helicoidales se
evita limitando estrictamente las fuerzas
que pueden presentarse o variando el
tipo de devanado. También se considera
la respuesta dinámica del devanado.
El diseño de los transformadores de
potencia es un proceso de interacción
que persigue la solución óptima desde
el punto de vista de:
Masas y pérdidas
Nivel de ruido
Resistencia al cortocircuito
Temperaturas del devanado, puntos
calientes y equipo de refrigeración
Resistencia del dieléctrico entre los
devanados y en su interior
Nota a pie de página
1)
La confianza en los apoyos radiales puede comprometer la estabilidad mecánica de los devanados si
los apoyos ceden bajo la acción de la carga y con
el paso del tiempo.
4
Ejemplos de deformaciones producidas en los devanados por fuerzas extremas:
a
Pandeo: caída del revestimiento del
devanado cilíndrico
Revista ABB 1/2008
b
Enrollamiento: desplazamiento tangencial
de las vueltas de un devanado helicoidal
5
La fabricación de los transformadores
requiere un elevado grado de precisión.
27
Cómo sobrevivir a un cortocircuito
Transformadores y subestaciones
Los proyectistas de ABB reciben el apoyo del conjunto
más avanzado en el mundo
de programas de verificación
y diseño para transformadores de potencia. Estas aplicaciones interactivas se utilizan
actualmente en 14 plantas de
transformadores de potencia.
8
300
250
200
150
100
50
Aspectos de fabricación y
precisión
0
1997
El equilibrado de los amperios-vuelta entre los devanados es un requisito previo para evitar
fuerzas axiales excesivas sobre ellos.
Esto se consigue por medio de unas
estrictas tolerancias de fabricación en los
devanados 5 .
Puesto que se pueden considerar los
devanados como muelles fabricados con
un 20 % de celulosa, es importante asegurar una correcta compactación para
resistir el ataque de la humedad y la
temperatura a fin de conseguir la longitud y la constante de muelle exactas durante un largo tiempo de servicio. Para
ello son necesarios unos procesos bien
6
b) una evaluación teórica de la
capacidad para soportar los
efectos dinámicos de los
cortocircuitos, basándose en
las reglas de diseño del fabricante y en su experiencia
constructiva, en línea con las
nuevas directrices de la IEC.
Dado el elevado coste que supone la inversión en equipos
de prueba, los ensayos correspondientes sólo se pueden ha2007
cer en unos cuantos lugares en
el mundo. La prueba requiere
una capacidad energética del calibre de
una gran red eléctrica junto con un
equipo de control y medida muy perfeccionado. Una de esas instalaciones es
KEMA, en los Países Bajos, donde ABB
ha realizado una serie de pruebas de
cortocircuito 7 .
Más de 140 transformadores de potencia
de ABB de distintos diseños se han sometido a las pruebas de cortocircuito,
incluidos 30 que se fabricaron después
de 1996 según la tecnología TrafoStar 8 .
En CIGRE y en otras conferencias técnicas, los informes de KEMA demuestran
fallos en las pruebas en alrededor del
30 % al 40 % de los transformadores de
potencia. Los propios registros de ABB
en los últimos 11 años indican 3 fallos
cada 28 pruebas. Cuando no se incluyen
las pruebas de ABB en las estadísticas
generales, otros fabricantes muestran
tasas de fallo mucho más altas en la
prueba de cortocircuito. Esto pone de
relieve la gran dificultad que conlleva
en la actualidad fabricar transformadores
que estén completamente a prueba de
cortocircuitos.
La nueva norma de la IEC permite
asimismo la verificación del diseño si el
fabricante presenta los esfuerzos calculados y los compara con sus propias
reglas manifestadas a partir de varias
pruebas de cortocircuito. Para cumplir
esta norma, los esfuerzos no deben superar los valores máximos expresados
por el fabricante o sobrepasar en 0,8 el
valor crítico del esfuerzo identificado
por el mismo. Los valores de los esfuerzos deben cumplir, además, con los
correspondientes valores máximos
dados como guía en la nueva IEC
Standard 60076-5.
Potencia nominal (MVA) de los transformadores TrafoStarTM probados
contra cortocircuitos
El sistema de fabricación de ABB garantiza
un método común para la producción de
todos los elementos clave. Esto tiene una
importante influencia en la resistencia
dinámica del devanado.
1998
2000
2000
2001
2002
2002
2005
2006
definidos en el taller de devanados y
en el montaje de las partes activas. Para
someter a presión los devanados con
vistas a su vida de servicio, se utiliza el
ajuste de la presión final tras el proceso
de la fase de vapor.
El criterio más importante es que todos
los devanados deben tener una determinada presión que evite cualquier desplazamiento entre las espiras. Los distintos
componentes con base de celulosa se
fabrican y se tratan desde la materia prima al producto listo para funcionar en
las propias máquinas de prensar de ABB
y en los centros de equipos por todo el
mundo. Esto garantiza un método común para la producción de todos estos
elementos clave con una importante influencia en la resistencia dinámica del
devanado 6 .
Verificación de la resistencia al
cortocircuito
La nueva norma IEC Standard 60076-5
(2006-2) proporciona dos opciones para
verificar la capacidad del transformador
de resistir los efectos dinámicos de un
cortocircuito.
Son las siguientes:
a) una prueba de cortocircuito realizada
en un laboratorio homologado, o
8
Las pruebas de cortocircuito en los transformadores de potencia sólo se realizan
en unos cuantos emplazamientos en todo
el mundo, debido a las altas inversiones
necesarias. KEMA, en los Países Bajos.
Thomas Fogelberg
Transformadores de ABB
Ludvika, Suecia
[email protected]
28
Revista ABB 1/2008