DryformerTM. nuevo transformador de potencia, sin aceite y con bajo impacto medioambiental

Transcripción

1 DryformerTM 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. Dryformer es un nuevo transformador de potencia de tipo seco que rompe totalmente con la tradición. Basado en la misma tecnología de cables de fuerza de alta tensión que la utilizada en el nuevo y revolucionario generador Powerformer [1] de ABB, está construido con arrollamientos cilíndricos que eliminan las limitaciones de distribución del campo propias de los diseños de transformadores de potencia convencionales. Innovaciones En los transformadores de potencia convencionales se utilizan conductores rectangulares en los arrollamientos con el fin de maximizar la intensidad nominal. Esto da lugar a una distribución del campo no uniforme, con una alta intensidad del campo magnético en las esquinas. Para reducir al mínimo las pérdidas por corrientes de Foucault en el arrollamiento, los conductores deben ser transpuestos de forma muy elaborada a lo largo del arrollamiento. En la zona final del arrollamiento deben tomarse también medidas muy complejas para Revista ABB 3/

2 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 descargas parciales. mientos rectangulares convencionales no permi- El aislamiento de aceite/celulosa de los arrolla- De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, te alcanzar tales intensidades de campo. los conductores cilíndricos utilizados en los arrollamientos del transformador Dryformer distribura exterior que permanece al potencial de tierra. El cable dispone de una capa semiconductoyen el campo eléctrico de manera uniforme 1. El campo eléctrico queda, por tanto, totalmente Otra ventaja de los conductores redondos es que confinado en el interior del cable, brindando a no existen aristas de pequeño radio, como ocurre en los conductores rectangulares, que limiten de nuevas posibilidades para el diseño eléctrico los fabricantes de transformadores toda una serie las intensidades máximas admisibles del campo y mecánico. magnético. Con los modernos materiales de aislamiento Cable y técnicas de fabricación, actualmente pueden Como ya se ha mencionado, los arrollamientos fabricarse cables fiables para 500 kv e intensidades de campo iguales o superiores a 15 kv/mm. formados por un cable aislado similar a utilizados en el transformador Dryformer están los Antecedentes históricos La tecnología actual de transformadores hunde sus raíces en los experimentos con transformadores monofásicos de distribución que se realizaron en Hungría a principios de la década de A finales de dicha década ya se estaban vendiendo en diversas partes del mundo, principalmente para suministrar electricidad a los 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 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 MVA. Los transformadores tradicionales de tipo seco no permiten tensiones de salida superiores a 36 kv. cables convencionales con dieléctrico sólido de alta tensión. Alrededor del conductor existe una capa semiconductora interior, seguida por un dieléctrico sólido y una capa semiconductora exterior. El dieléctrico sólido es de polietileno reticulado (XLPE). El conductor, normalmente del tipo de cableado concéntrico, dispone de un hilo central circundado por capas concéntricas de 6, 12, 18, 24, 30, 36 y 42 hilos nominales. Cada capa se aplica según direcciones alternas de cableado. La capa semiconductora exterior del cable permanece al potencial de tierra, lo cual tiene varias ventajas. En primer lugar, no existe peligro de que se produzca descarga parcial o efecto de corona en ningún punto del arrollamiento. Segundo, la seguridad del personal mejora de forma substancial, ya que todas las superficies expuestas del transformador están al potencial de tierra. Revisión de los parámetros de proyecto de los transformadores 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- 60 Revista ABB 3/2000

3 das a tierra. Al reducirse al mínimo las distancias, todo lo ha de tener en cuenta el ingeniero proyectista es el espacio necesario para garantizar una refrigeración suficiente. El transformador Dryformer, además, elimina uno de los aspectos más críticos del proyecto de transformadores convencionales: la necesidad de tomar medidas que limiten la influencia del campo eléctrico en las partes conectadas a tierra. Puesto que la distribución está totalmente confinada en el interior del cable, no es necesario controlar el campo eléctrico en la zona final del arrollamiento, al contrario de lo que ocurre en los transformadores convencionales, tanto de tipo seco como de tipo de baño de aceite. La tensión inducida en un transformador de potencia aumenta gradualmente a lo largo del arrollamiento de alta tensión, desde el lado del neutro hasta el lado de la línea, cuando el transformador 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 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 adoptada para el transformador Dryformer está basada en Nuevas técnicas de fabricación una redundancia del 100%. Por ejemplo, si es El núcleo de Dryformer está construido de forma necesario un ventilador para mantener la temperatura por debajo de 70ºC a plena carga, el les y utiliza el mismo tipo de laminado. La única parecida al de los transformadores convenciona- transformador será suministrado con dos sistemas diferencia es que se aplica pintura anticorrosión de ventilador idénticos. Cuando la temperatura se al conjunto del núcleo ya montado para contrarrestar la ausencia de aceite. eleva por encima de 70ºC suceden dos cosas: se envía una señal de alarma a la sala de control y Dryformer y los transformadores convencionales de aceite/celulosa difieren principalmente el ventilador de reserva se pone en marcha automáticamente para enfriar al transformador hasta en sus arrollamientos. En el caso de los transformadores convencionales, los arrollamientos son una temperatura menor que la de proyecto. Al disponer de dos ventiladores, el transformador la parte más sensible del proceso de fabricación. puede ser sobrecargado temporalmente durante Es necesario disponer de personal experimentado para aislar con cintas de celulosa (principal- varias horas. 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 complicado. Es fácil ver que la fabricación y manipu- velocidad de frecuencia controlada para reducir el consumo de energía en situaciones de baja lación del cable aislado utilizado en el transformador Dryformer simplifica el diseño y los pro- carga y baja temperatura ambiente. ceso de fabricación. 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. Revista ABB 3/

4 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. El cable aislado del Dryformer se fabrica y prueba en la propia fábrica, por lo que el fabricante del transformador sólo tiene que realizar el trabajo de devanado, menos complicado. Al quedar eliminada la manipulación de cintas de celulosa un trabajo muy delicado y todos los procesos de manipulación de aceite, se reducen en gran medida los riesgos propios de la fabricación de arrollamientos de transformadores. La simplificación de los procesos de fabricación y los ensayos previos en fábrica contribuyen también a reducir los plazos de entrega de los cables. El hecho de que el Dryformer no contenga aceite lo hace especialmente apropiado para zonas urbanas densamente pobladas. El Dryformer da a las compañías eléctricas y a las autoridades locales gran flexibilidad en cuanto a la situación de las subestaciones 3 y hace más fácil cumplir las leyes y reglamentos medioambientales locales. Las subestaciones pueden ser proyectadas independientemente del transformador de potencia. Otros factores de ahorro son la posibilidad de configurar óptimamente la subestación, la menor necesidad de equipos de extinción de incendios y la ausencia de foso de recogida de aceite. Debido a que el Dryformer puede ser conectado directamente a los cables aislados de alta ten- 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. CO 2 SO 2 NO x Suecia Canadá Dinamarca USA sión, puede estar situado más próximo al sistema de distribución final. Hablando de forma general es posible situar el transformador allí donde se consume la energía, dentro o fuera de los edificios, en superficie o bajo tierra, e incluso fuera de la subestación. Al acercar la alimentación de alta tensión al punto de consumo de energía, el transformador Dryformer reduce las pérdidas en los cables de alimentación e influye de forma importante en el coste de las líneas y cables. La posibilidad de situar el transformador en zonas urbanas se representa en la figura 4, donde puede verse el efecto que tiene instalar el Dryformer 5 km más cerca de la carga. Desplazando el transformador, el cable de 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 62 Revista ABB 3/2000

5 aceite, como la contaminación medioambiental, los incendios y las explosiones. La ausencia de aceite significa también que los transformadores de potencia de alta tensión pueden situarse cerca de los cursos de agua. Las centrales hidroeléctricas y las plantas de tratamiento de aguas son otras localizaciones sensibles en que hay que garantizar que el agua esté libre de contaminación. Otra ventaja de la ausencia de aceite y de la confinación del campo eléctrico en el interior del cable es que se eliminan los riesgos propios de la instalación de transformadores de potencia de alta tensión en edificios de gran altura. La utilización de cables de alta tensión con uniones de cables en las zonas urbanas, en lugar de líneas aéreas, también puede eliminar los posibles riesgos asociados a los campos eléctricos abiertos, ya que no queda al aire ningún elemento de alta tensión. Mantenimiento Dado su menor número de componentes, el transformador Dryformer necesita menos mantenimiento y ofrece más fiabilidad y disponibilidad que los transformadores convencionales. La ausencia de aceite, además de simplificar y acortar los trabajos de instalación, también elimina el riesgo de daños debidos a explosiones o incendios. Impacto medioambiental La protección del medio ambiental ha sido una de las primeras preocupaciones en la historia de los transformadores de tipo seco. Para estudiar el impacto medioambiental global de un producto o sistema, desde la extracción de las materias primas hasta la gestión final de los residuos, inclusive la fabricación y utilización del sistema, es necesario evaluar el ciclo total de vida útil. Los resultados demuestran que Dryformer es más inocuo para el medio ambiente que los transformadores convencionales equivalentes. Punto de vista económico Es un procedimiento común analizar la economía de conjunto de las subestaciones antes de invertir en equipos de potencia. Dicho análisis debe estudiar la inversión necesaria, los beneficios, el coste de explotación de la central, los 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 a Cable de 24 kv ~(5 km) Pérdidas en GWh (30 años) 69 kv b Cable de 69 kv Revista ABB 3/

6 Transmission and Distribution tipos de interés, etc. Son ejemplos típicos el análisis del coste del ciclo de vida (LCC) y el análisis de la rentabilidad del ciclo de vida (LCP). Debido a la naturaleza de la tecnología actual de transformadores, los proveedores tienden a ofrecer prestaciones y características de explotación similares. Dryformer ofrece más ventajas que los transformadores convencionales, de modo que es fundamental para la evaluación considerar los costes totales, y no solo los iniciales. Los siguientes factores económicos deben ser estudiados caso por caso: Costes relativos a la subestación, por ejemplo la localización geográfica, la configuración y la eliminación de la fosa de aceite, etc. Protección y supervisión Instalación Protección contra los incendios y explosiones Pérdidas Fiabilidad (MTBF 1 y MTTR 2 ) Impacto medioambiental Existen soluciones alternativas para cada uno de los casos. Se ha desarrollado un modelo de evaluación de costes para el Dryformer que permite calcular el ahorro total para cada una de las ofertas. Paquetes de optimización Las solicitudes de ofertas de transformadores se basan con frecuencia en pliegos de condiciones anticuados, correspondientes a lo que el sistema era hace 10 o 20 años. El concepto del transformador Dryformer crea unas posibilidades únicas para la optimización del transformador y de la red. 1 MTBF = Mean Time Between Failures 2 MTTR = Mean Time To Repair Diseño eléctrico De forma opcional, ABB puede optimizar el Dryformer para sistemas ya existentes, para lo cual se evalúan los requisitos reales del sistema real, entre ellos los siguientes: Potencia nominal Tensión nominal Regulación de tensión (número de escalones, tensión por escalón) Niveles de aislamiento (coordinación con otros componentes) Impedancia de cortocircuito Evaluación de pérdidas Nivel de ruido Diseño mecánico La optimización del diseño mecánico es otra de las opciones que ofrece el Dryformer. Esto puede ser necesario, por ejemplo, si los pliegos de condiciones de los transformadores están tan anticuados que no responden a los requisitos de un nuevo concepto de subestación o si se precisa una solución especial de diseño para un lugar específico. Las posibilidades incluyen: Un diseño especial para instalación de la envoltura en interiores o en exteriores Situación especial de los equipos de refrigeración Situación especial del conmutador en carga, terminaciones, etc. Nuevo conmutador en carga seco y terminaciones de cables Mientras ya se han suministrado las primeras unidades Dryformer para aplicaciones que no necesitan conmutador en carga, ya se encuentra en fase de desarrollo un nuevo tipo de conmutador en carga seco. Pronto presentaremos este nuevo desarrollo y también el nuevo tipo de terminación de cable seco, también en fase de desarrollo. Perspectivas En diciembre de 1999 se inició la explotación comercial del primer Dryformer en una central hidroeléctrica que la compañía sueca Birka Energi tiene en la costa este de Suecia. Esta unidad, dimensionada para 20 MVA y 140/6,6 kv nominales, está alojada en una pequeña subestación URBAN. El concepto URBAN fue desarrollado como solución para subestaciones en interiores, dimensionadas para hasta 170 kv nominales. Las conexiones de llegada se hacen por medio de cables, en lugar de utilizar líneas aéreas. La segunda unidad Dryformer (25 MVA 78/11 kv) ha sido instalada en mayo de 2000 en una de las centrales hidroeléctricas de Stora Energy, a las orillas de río Ljusnan, en Suecia Central. Autores Thomas Andersson Stefan Forsmark ABB Transformers AB Box 72 SE Ludvika Suecia thomas.h.andersson@se.abb.com stefan.forsmark@se.abb.com Telefax: +46(0) Albert Jaksts ABB Corporate Research SE Västerås Suecia albert.jaksts@se.abb.com Telefax: +46 (0) Bibliografía [1] M. Leijon: Powerformer, una máquina rotativa radicalmente nueva. Revista ABB 2/98, Revista ABB 3/2000