Proyecto Fin de Carrera

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

OPTIMIZACIN DEL

TRANSFORMADOR DE SALIDA

DE UN PARQUE ELICO

Antonio Alonso Fuentes

MADRID, junio de 2006

Autorizada la entrega del proyecto al alumno:

Antonio Alonso Fuentes

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

D. Julio de San Sebastin Soria

Fdo: Fecha:

V B del Coordinador de Proyectos

D. Toms Gmez San Romn

Fdo: Fecha:

RESUMEN DEL PROYECTO i

OPTIMIZACIN DEL TRANSFORMADOR DE SALIDA DE UN PARQUE ELICO

Autor: Alonso Fuentes, Antonio. Director: de San Sebastin Soria, Julio. Entidad Colaboradora: Socoin Ingeniera y Construccin Industrial, SL.U.

RESUMEN DEL PROYECTO

La energa elica en Espaa ha experimentado durante la ltima dcada un extraordinario desarrollo, slo superado a nivel mundial por el acontecido en Alemania.

Ello ha sido motivado, principalmente, por disponer de unos destacables recursos elicos as como una legislacin muy favorable, tanto a nivel nacional como regional. Al mismo tiempo, el alto grado de madurez alcanzado por el sector ha proporcionado una elevada competitividad tecnolgica que, junto con la rentabilidad esperada debido a las primas, son capaces de animar la inversin privada.

Espaa es un pas con una enorme dependencia energtica de fuentes externas debido a la inexistencia de yacimientos petrolferos o de gas natural en su territorio. Solamente existen yacimientos de carbn, pero desgraciadamente de baja calidad.

Debido al hecho de que Espaa es un pas con un potencial elico excelente y que cuenta con una tecnologa de aerogeneradores bien desarrollada gracias a las primas; la energa del viento parece una alternativa clara para la integracin de esta forma de energa renovable en el mix energtico espaol y reducir la dependencia de fuentes externas.

Aunque el ritmo de instalacin durante 2005 se ha visto desacelerado frente a 2004 debido fundamentalmente a los retrasos administrativos y la concrecin de los accesos y puntos de conexin en la red de transporte elctrico. El sector sigue manteniendo un crecimiento continuado en proyectos de parques elicos que hace prever el cumplimiento del objetivo de 20.155 MW en 2010 previstos en el Plan de Energas Renovables 2005-2010.

La energa elica cuenta hoy en da con una tecnologa de aprovechamiento totalmente madura pero la extensin de este tipo de energa har que sea importante su incidencia en la red y ms an si se tiene en cuenta la aleatoriedad de la produccin.

RESUMEN DEL PROYECTO ii

Dentro de un parque, el transformador de potencia es un elemento que supone un alto coste de la inversin de la subestacin. Normalmente se sobredimensionan para evitar problemas y se les dota de regulacin en carga, lo que supone un sobre coste aadido.

La proliferacin de la energa elica y el aumento del precio de los transformadores de potencia (debido al aumento del precio del cobre y de la chapa magntica de grano orientado) hacen necesario la optimizacin de los transformadores de salida de los parques elicos. Para ello deben considerarse todos los factores asociados: curva prevista de potencia generada, tipo de compensacin de potencia reactiva, variacin de tensin de red, caractersticas climticas, variacin de las condiciones ambientales, vida del parque, etc. Tambin deben considerarse los parmetros bsicos y adicionales del transformador (potencia, refrigeracin, cambiador de tomas, prdidas, etc) para obtener la mejor solucin tcnica que permita optimizar los costes de infraestructura.

El anlisis terico se aplica a un caso real de un proyecto llave en mano actualmente en marcha en la empresa Socoin Ingeniera y Construccin Industrial, SL.U. (Parque Elico Sierra de la Oliva).

Si se consideran todos estos factores y aunque es necesario verificar los ciclos de cargas a los que estn expuestos los transformadores para cada caso, se puede disponer a las subestaciones de salida de los parques elicos de transformadores de potencia aparente asignada menor a la nominal del parque.

Actualmente se selecciona la potencia asignada aplicando un margen por encima de la potencia nominal del parque (alrededor de un 5 %) y considerando un factor de potencia inferior al que tendr el parque elico en funcionamiento a plena carga (generalmente se consideran valores cercanos a 0,9 cuando hoy en da en los parques elicos se obtienen valores prximos a 1 gracias a una compensacin individual de potencia reactiva y una compensacin del parque). Todo ello supone dotar a las subestaciones de salida de los parques elicos con transformadores sobredimensionados en un 16 % de la potencia nominal del parque.

Los transformadores de potencia de los parques estn sometidos a ciclos de cargas muy variables y en gran parte de los casos por debajo de la potencia aparente asignada. En el caso del transformador de salida del Parque Elico Sierra de la Oliva, tras estudiar el ciclo de carga al que estar sometido bajo las condiciones ms desfavorables, se

RESUMEN DEL PROYECTO iii

obtiene que un transformador con una potencia asignada un 12 % inferior a la del parque podra funcionar perfectamente y tener una vida til superior a la del parque elico.

En trminos econmicos esto supondra un ahorro de un 24 % en el transformador de potencia de la subestacin de salida del Parque Elico Sierra de la Oliva. Teniendo en cuenta que las subestaciones de los parques elicos son muy sencillas y que el coste del transformador supone alrededor de un 37 % del total de la subestacin, se obtiene un ahorro o aumento del margen en la subestacin del 9 %.

SUMMARY OF THE PROJECT iv

WIND FARM POWER TRANSFORMER OPTIMIZATION

SUMMARY OF THE PROJECT

Wind power in Spain has experimented during the last years an extraordinary development only exceeded world-wide for what has happened in Germany.

It has been motivated mainly for the excellent wind resources and a favourable national and regional legislation. At the same time, the sate of art achieved by this sector has developed high competitive technology cost-effective that together with the bonus given by the government have encouraged private investments.

Spain is a country that has strong energy dependence from external resources due to the non-existence inside its territory of neither oil fields nor natural gas. Unfortunately Spain has only low quality coal mines.

Due to the fact that Spain is a country with excellent wind resources and well-developed technology of wind turbines in part thanks to the bonus, wind power looks like a clear alternative for the integration of renewable energies in the Spanish energetic mix in order to reduce the energetic dependence on external resources.

Even tough the pace of installations during 2005 was lower than the one that took place in 2004, due to the administrative delays and the specifications for the connections to the grid; the sector follows a continuous growth in wind farm projects. It is expected that the 20.155 MW foreseen in the Plan de Energas Renovalbles 2005-2010 will be built before 2010.

Wind power has today a high-developed technology completely proven but the growth of this type of energy has an important impact on the grid due to the randomness of the production.

In a wind farm the power transformer is an element that accounts for most of the investment of the substation. Generally these transformers are over-dimensioned to avoid problems and are equipped with on load tap changers that raise the price.

The proliferation of wind farms and the rise of the price of the power transformers (due to the rise of the price of the copper and grain-oriented steal), make necessary an

SUMMARY OF THE PROJECT v

optimization of the power transformers used in wind farms. To do this it is necessary to consider all factors the involved: predicted generation curve, variations of the grid voltage, climatic characteristics, variations on the weather conditions, life time of the wind farm, etc. It is also necessary to consider the basic design parameters of the power transformer (rated power, cooling, tap changers, losses, etc) to obtain the best solution that optimizes the costs of infrastructure.

The theoretical analysis is applied to a real case of a turnkey project currently being developed by the company Socoin Ingeniera y Construccin Industrial, S.L.U. (Parque Elico Sierra de la Oliva).

If all this factors are considered and even tough it is necessary to verify for every case the load cycles of the power transformers, it is possible to arrange in wind farms substations power transformers with rated power lower than the rated of the farm.

Currently the rated power of power transformers in wind farms is chosen applying a margin over the rated power of the wind farm (around a 5 %); and considering a power factor lower than the one that will have working at rated power (normally values of 0.9 are considered when currently wind farms have a power factor of approximately 1 due to the individual compensation of reactive power and the farm compensation). All of this involves providing wind farms substations with power transformers over-dimensioned around 16 % of the rated power of the wind farm.

The power transformers of wind farms are subject of random load cycles and normally this are lower tan the rated power. In the case study of Parque Elico Sierra de la Oliva, after studying the load cycles in the worst conditions, a transformer with rated power 12% lower than the wind farm rated power was obtained to do the same role. Wind farm substations of are generally simple and the power transformers account for 37 % of the total substation cost, this means savings or an increase of the margin on the substation of a 9 %.

Memoria

ndice vii

ndice

1 INTRODUCCIN .............................................................................................................................. 2

1.1 Motivacin del proyecto.................................................................................... 2

1.2 Objetivos .............................................................................................................. 5

2 INTRODUCCIN A LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA ...................................... 8

2.1 Fundamentos de los Transformadores de Potencia ...................................... 8

2.2 Principales Aspectos Constructivos............................................................... 11

2.2.1 Ncleo 11

2.2.2 Devanados 15

2.2.3 Sistemas de Refrigeracin 16

2.2.4 Aisladores Pasantes y Otros Elementos 21

2.3 Potencia Nominal de un Transformador ...................................................... 22

2.4 Transformadores Trifsicos ............................................................................ 23 2.4.1 Esquemas Equivalentes 24

2.4.2 Armnicos en las Corrientes de Excitacin de Transformadores Trifsicos 27

2.4.2.1 Bancos Trifsicos a Base de Transformadores Monofsicos..................................27

2.4.2.2 Transformadores con Ncleo Magntico Trifsico.................................................29

2.4.3 Conexin de los Transformadores Trifsicos y Desfases 30

2.4.3.1 Desfases ........................................................................................................................30

2.4.3.2 ndice de Desfase y Smbolos de Conexin .............................................................32

2.4.3.3 Conexin Y-y ...............................................................................................................32

2.4.3.4 Conexin Y-d ...............................................................................................................34

2.4.3.5 Conexin D-y...............................................................................................................35

2.4.3.6 Conexin D-d...............................................................................................................35

2.4.3.7 Conexin Y-z ...............................................................................................................35

2.5 Prdidas y Rendimiento de los Transformadores ....................................... 36 2.5.1 Naturaleza de las Prdidas en los Transformadores de Potencia 36

2.5.2 Prdidas en el Ensayo en Vaco 36

2.5.3 Prdidas en el Ensayo en Cortocircuito 36

2.5.4 Rendimiento 37

2.5.5 Coste de explotacin. Capitalizacin de las prdidas 39

2.5.5.1 Clculo de las Prdidas Anuales de Energa en el Transformador ......................39

2.5.5.2 Utilizacin de la Curva Temporal de Potencia Aparente ......................................40

2.5.5.3 Mtodo de Interpolacin ............................................................................................43

2.5.5.4 Capitalizacin de las Prdidas ..................................................................................48

2.5.5.5 Precio Total del Transformador ................................................................................53

ndice viii

2.6 Transformadores con Tomas .......................................................................... 54 2.6.1 Tomas de Regulacin 55

2.6.2 Elementos de Conmutacin 56

2.7 Carga, Capacidad de Plena Carga y Vida de Servicio ................................ 60 2.7.1 Generalidades 60

2.7.2 Clculo de la Temperatura 64

2.7.3 Tablas de Carga 70

2.8 Acoplamiento en Paralelo de Transformadores .......................................... 72

3 INSTALACIONES ELCTRICAS DE LOS PARQUES ELICOS ......................................... 75

3.1 Instalacin Elctrica de BT de un Aerogenerador ....................................... 77

3.2 Centros de Transformacin (MT / BT) ......................................................... 78

3.3 Red de Media Tensin ..................................................................................... 79

3.4 Subestacin ........................................................................................................ 80 3.4.1 Transformador de la Subestacin 80

3.4.2 Rgimen de Neutro Media Tensin 82

3.4.3 Protecciones de Media Tensin 82

3.4.4 Evacuacin en Alta Tensin 84

4 PRINCIPIOS DE CONVERSIN DE LA ENERGA ELICA................................................ 88

4.1 Recurso Elico................................................................................................... 88 4.1.1 Curvas de Distribucin de Velocidad y Rosa de los Vientos 88

4.1.2 Variacin del Viento con la Altura 91

4.1.3 Estelas de Aeroturbinas 92

4.2 Aerodinmica.................................................................................................... 95

4.3 Clculo Energtico............................................................................................ 99 4.3.1 Energa Producida por una Aeroturbina en Terreno Llano 99

4.3.2 Energa Producida por un Parque Elico 101

4.3.3 Otros Efectos 102

4.3.3.1 Disponibilidad ...........................................................................................................103

4.3.3.2 Rendimiento Elctrico ..............................................................................................103

4.3.3.3 Heladas y Ensuciamiento de las Palas....................................................................103

4.3.3.4 Retardo en el Tiempo de Respuesta del Sistema de Seguimiento de la Direccin

del Viento...................................................................................................................................103

5 CALIDAD DE ENERGA DE LOS AEROGENERADORES ................................................. 105

5.1 Variaciones de Frecuencia............................................................................. 107

5.2 Variaciones Lentas de Tensin ..................................................................... 108

ndice ix

5.3 Fluctuaciones de Tensin y Flicker.......................................................... 110 5.3.1 Operacin Continua 113

5.3.2 Operacin de Maniobra 114

5.4 Desequilibrio de Fases ................................................................................... 114

5.5 Impulsos de Tensin ...................................................................................... 115

5.6 Huecos de Tensin e Interrupciones Breves de Tensin .......................... 117

5.7 Distorsin Armnica ...................................................................................... 120

5.8 Normativa Relativa a la Calidad de Suministro de Aerogeneradores ... 124 5.8.1 Normativa Espaola 124

5.9 Medidas Correctoras...................................................................................... 125 5.9.1 Variaciones Lentas de Tensin 126

5.9.2 Fluctuaciones de Tensin y Flicker 127

5.9.3 Huecos de Tensin e Interrupciones Breves de Tensin 127

5.9.4 Impulsos de Tensin 128

5.9.5 Distorsin Armnica 128

5.9.6 Tendencias y Desarrollos Futuros 129

6 OPTIMIZACIN DEL TRANSFORMADOR .......................................................................... 132

6.1 Datos Iniciales: Parque Elico Sierra de la Oliva ....................................... 132 6.1.1 Emplazamiento 132

6.1.2 Evaluacin del Potencial Elico 132

6.1.3 Aerogeneradores 134

6.1.3.1 Rotor ...........................................................................................................................135

6.1.3.2 Multiplicador .............................................................................................................135

6.1.3.3 Sistemas de Frenos ....................................................................................................135

6.1.3.4 Generador ..................................................................................................................135

6.1.3.5 Sistema de Seguimiento de la Direccin del Viento .............................................136

6.1.3.6 Gndola ......................................................................................................................136

6.1.3.7 Torre............................................................................................................................136

6.1.4 Subestacin 20/132 kV 136

6.2 Determinacin del Ciclo de Carga ............................................................... 137

6.3 Determinacin de la Potencia Aparente Nominal. Envejecimiento........ 139

6.4 Especificaciones Tcnicas del Transformador de Potencia para el

Parque Elico Sierra de la Oliva................................................................... 143 6.4.1 Normativa 143

6.4.2 Detalles Constructivos y Accesorios 144

6.4.2.1 Arrollamientos...........................................................................................................144

6.4.2.2 Chapa Magntica ......................................................................................................144

ndice x

6.4.2.3 Aceite ..........................................................................................................................144

6.4.2.4 Depsito de Expansin.............................................................................................144

6.4.2.5 Cuba ............................................................................................................................145

6.4.2.6 Ruedas y Elementos de Elevacin...........................................................................145

6.4.2.7 Vlvulas......................................................................................................................145

6.4.2.8 Tornillera y Juntas....................................................................................................146

6.4.2.9 Bornas .........................................................................................................................146

6.4.2.10 Cambiador de Tomas ...............................................................................................147

6.4.2.11 Buchholz, Termmetro y Rels de Imagen Trmica.............................................147

6.4.2.12 Cables .........................................................................................................................148

6.4.2.13 Equipo de Ventilacin ..............................................................................................149

6.4.2.14 Armario de Control, Equipos de Ventilacin y Alarmas .....................................149

6.4.2.15 Placas de Caractersticas...........................................................................................150

6.4.2.16 Pintura ........................................................................................................................151

6.4.3 Ensayos 151

6.4.4 Montaje en Campo 152

6.4.5 Lista de Repuestos 153

6.5 Comparacin de Ofertas................................................................................ 154 6.5.1 Comparacin Tcnica 154

6.5.2 Comparacin Econmica 154

6.5.3 Evaluacin Econmica Considerando las Prdidas 155

6.5.3.1 Prdidas en el Hierro ................................................................................................156

6.5.3.2 Prdidas en el Cobre .................................................................................................157

6.5.3.3 Prdidas Totales ........................................................................................................158

6.5.3.4 Capitalizacin de Prdidas ......................................................................................158

6.6 Obra Civil ........................................................................................................ 159

7 CONCLUSIONES........................................................................................................................... 162

8 BIBLIOGRAFA.............................................................................................................................. 163

CLCULOS ........................................................................................................................................... 166

ANEXO A VALOR PRESENTE DE UNA ANUALIDAD .......................................................... 177

ANEXO B CAPITALIZACIN DE PRDIDAS.......................................................................... 180

ANEXO C CARGA ADMISIBLE Y PRDIDA DE VIDA (UNE 20 110)................................. 183

ANEXO D AEROGENERADOR GE 1.5SL ................................................................................... 189

ANEXO E SUBESTACIN 132/20 KV PARQUE ELICO SIERRA DE LA OLIVA ........... 197

E.1 Sistema de 132 kV........................................................................................... 197 E.1.1 Criterios de Diseo 197

E.1.1.1 Generales....................................................................................................................197

ndice xi

E.1.1.2 Generadores Elicos .................................................................................................199

E.1.1.3 Normas y Reglamentos de Aplicacin ...................................................................200

E.1.2 Descripcin de los Equipos y Componentes 201

E.1.2.1 Autovlvulas..............................................................................................................201

E.1.2.2 Seccionador Tripolar.................................................................................................201

E.1.2.3 Interruptor .................................................................................................................204

E.1.2.4 Transformadores de proteccin y medida .............................................................207

E.1.2.5 Medida........................................................................................................................208

E.1.2.6 Protecciones ...............................................................................................................211

E.1.3 Transformador Potencia 132/20 kV 211

E.1.4 Comunicaciones y Telecontrol 212

E.1.5 Equipos de Corriente Continua 212

E.1.6 Cables 213

E.1.7 Red de Puesta a Tierra 214

E.2 Sistema de 20 kV............................................................................................. 214 E.2.1 Transformador de Servicios Auxiliares 215

E.2.2 Aparellaje 215

E.2.2.1 Interruptores ..............................................................................................................215

E.2.2.2 Interruptores - Seccionadores asociados con Fusibles..........................................216

E.2.2.3 Seccionadores de p.a.t...............................................................................................216

E.2.3 Batera de Condensadores en 20 kV 216

E.2.4 Protecciones 216

E.2.5 Medida 217

E.2.6 Servicios Auxiliares 217

E.2.7 Telemando y Teleseal 218

ANEXO F INCREMENTO MEDIO ANUAL DEL PRECIO DEL KILOVATIO Y TIPO DE

INTERS DEL PRECIO DEL DINERO ...................................................................................... 220

ndice de Figuras xii

ndice de Figuras

Figura 1: Potencia Instalada Acumulada en MW al final del 2005 en Europa (EWEA). ................. 2

Figura 2: Generacin Elica y Potencia Instalada en Espaa (REE). .................................................. 3

Figura 3: Bobina de reactancia ideal (a) y real (b) ([RAS 88]).............................................................. 8

Figura 4: Transformador en vaco (a) y con en carga (b) ([RAS 88]). ................................................. 9

Figura 5: Transformador de potencia Smit (Grupo SGB) 31,5/40 MVA 120/22 kV ONAF /

ONAN. .......................................................................................................................................... 11

Figura 6: Montaje del ncleo de un transformador de potencia IMEFY. ........................................ 12

Figura 7: Circuito magntico y devanados de un transformador trifsico ([FRAI03]). ................. 13

Figura 8: Uniones de chapas de transformadores ([FRAI03]). .......................................................... 14

Figura 9: Ncleos de transformador tipo ([FRAI03]). ........................................................................ 14

Figura 10: Devanado en capas de un transformador IMEFY 40 MVA 66 kV. ................................ 15

Figura 11: Devanados concntricos y alternados................................................................................ 16

Figura 12: Aspectos constructivos de un transformador ([FRAI03])................................................ 17

Figura 13: Cuba transformador de potencia IMEFY 12 MVA 45 / 15 kV ONAN.......................... 18

Figura 14: Ventilador de refrigeracin IMEFY. ................................................................................... 19

Figura 15: Rel Buchholz y esquema elctrico de proteccin............................................................ 21

Figura 16: Circuito magntico de un transformador trifsico ([HARL04]). .................................... 23

Figura 17: Circuito equivalente de un transformador real reducido al primario ([FRAI03]). ...... 24

Figura 18: Circuito equivalente en T de un transformador reducido al primario ([FRAI03]). ..... 26

Figura 19: Armnico fundamental y tercero del banco de transformadores ([FRAI03])............... 27

Figura 20: Deformacin del flujo magntico para corrientes senoidales ([FRAI03]). .................... 28

Figura 21: Designacin de polos y bornes de un transformador trifsico ([FRAI03]). .................. 31

Figura 22: Tipos de conexin de transformadores trifsicos ([FRAI03]). ........................................ 31

Figura 23: Cuadro de grupo de conexiones comunes ([RAS 88]]).................................................... 33

Figura 24: Variacin del rendimiento en funcin de la carga (para un f.d.p. fijo) ([RAS 88]]). .... 38

Figura 25: Curva anual de prdidas de potencia en el transformador ([CORR78]])...................... 39

Figura 26: Curva media de carga instantnea (kVA) a lo largo de una jornada de servicio (24

horas) ([CORR78]]). ..................................................................................................................... 41

Figura 27: Sustitucin de la curva continua de la Figura 26 por otra escalonada en valores

relativos de la potencia aparente ([CORR78]])......................................................................... 41

Figura 28: Histograma de frecuencias diarias y anuales de carga ([CORR78]]). ............................ 42

Figura 29: Grfico de carga aparente concentrada ([CORR78]])....................................................... 44

Figura 30: Carga concentrada. Grfico de prdidas ([CORR78]]). ................................................... 45

Figura 31: Grfico de carga aparente uniformemente distribuida ([CORR78]])............................. 46

Figura 32: Carga uniformemente distribuida. Grfico de prdidas ([CORR78]]). ......................... 47

ndice de Figuras xiii

Figura 33: Disposicin fsica de un cambiador de tomas en carga. .................................................. 54

Figura 34: Tomas de transformadores trifsicos ([FRAI03]).............................................................. 55

Figura 35: Situacin geomtrica de las tomas ([FRAI03]). ................................................................. 56

Figura 36: Detalle del funcionamiento del cambiador de tomas en carga ([RAS 88]). .................. 58

Figura 37: Detalle del funcionamiento del inversor de tomas ([RAS 88]). ...................................... 58

Figura 38: Detalle del funcionamiento del selector y del conmutador de tomas. .......................... 59

Figura 39: Partes de un intercambiador de tomas en carga............................................................... 59

Figura 40: Diagrama trmico (UNE 20 110). ........................................................................................ 64

Figura 41: Correccin entre valores ponderado y medio de la temperatura (UNE 20 110). ......... 69

Figura 42: Ciclo de carga con dos escalones (UNE 20 110)................................................................ 70

Figura 43: Ajuste a un ciclo de carga con dos escalones (UNE 20 110). ........................................... 71

Figura 44: Regmenes admisibles con prdida normal de vida (UNE 20 110)................................ 71

Figura 45: Curvas de temperatura y factor de envejecimiento para los diferentes factores de

carga durante 24 horas con temperatura ambiente de 20C (UNE 20 110). ........................ 72

Figura 46: Representacin esquemtica del sistema elctrico de un parque elico (Sistemas

Energticos)................................................................................................................................... 76

Figura 47: Esquema red de MT de un parque elico (Sistemas Energticos).................................. 79

Figura 48: Posicin de lnea de una subestacin de intemperie........................................................ 80

Figura 49: Transformador con regulacin en carga ([BURT01]). ...................................................... 82

Figura 50: Protecciones habituales situadas en la subestacin de un parque elico (Sistemas

Energticos)................................................................................................................................... 84

Figura 51: Esquema unificar simplificado de la evacuacin en alta a travs de lnea dedicada

(Sistemas Energticos). ................................................................................................................ 85

Figura 52: Esquema unificar simplificado de la evacuacin en alta a travs de lnea de enlace

(Sistemas Energticos). ................................................................................................................ 85

Figura 53: Esquema unificar simplificado de la evacuacin en alta a travs de doble lnea

entrada - salida (Sistemas Energticos). .................................................................................... 86

Figura 54: Ejemplo de distribucin de velocidades y rosa de los vientos. ...................................... 90

Figura 55: Capa lmite terrestre ([RODR03]). ...................................................................................... 91

Figura 56: Curva tpica de una aeroturbina mostrando el coeficiente de empuje y la potencia

generada, como funcin de la velocidad incidente a la altura del buje................................ 94

Figura 57: Tubo de corriente que circunda la aeroturbina ([BURT01])............................................ 95

Figura 58: Tamao de las turbinas para distintas potencias con velocidades del viento de 12

m/s y Cp = 0,5. .............................................................................................................................. 97

Figura 59: Variacin de Cp y CT en funcin del factor de velocidad inducida a ([BURT01])........ 99

Figura 60: Curva de duracin de potencia obtenida a partir de la curva de duracin del

viento y de la curva de la aeroturbina. La superficie rayada representa la energa anual

producida ([RODR03]). ............................................................................................................. 100

ndice de Figuras xiv

Figura 61: Factor de utilizacin como funcin de Vave / Vnominal ([RODR03]). .............................. 101

Figura 62: Ejemplo orografa y disposicin de los aerogeneradores.............................................. 102

Figura 63: Esquema de un transitorio de frecuencia (UNESA)....................................................... 107

Figura 64: Esquema de una variacin de tensin (UNESA)............................................................ 109

Figura 65: Generador elico conectado directamente a red ([BURT01]). ...................................... 109

Figura 66: Tipos de fluctuaciones de tensin (UNESA). .................................................................. 111

Figura 67: Curva de irritabilidad propuesta por la norma UNE EN 6100-3-3 (UNESA). ........... 112

Figura 68: Ejemplo de sistema desequilibrado (UNESA). ............................................................... 115

Figura 69: Ejemplos de pulsos de tensin positivo y negativo (UNESA)...................................... 116

Figura 70: Hueco de tensin e interrupcin breve de tensin (UNESA). ...................................... 118

Figura 71: Onda de tensin de 50Hz que contiene componente fundamenta y armnico de

orden 5 (UNESA). ...................................................................................................................... 120

Figura 72: Diferentes configuraciones de filtros pasivos (UNESA)................................................ 129

Figura 73: Curvas de distribucin y duracin del viento en Sierra de la Oliva............................ 132

Figura 74: Curva de potencia y de coeficientes de empuje del aerogenerador GE 1.5sl

(densidad aire = 1,225 kg/m3). ................................................................................................. 134

Figura 75: Potencia aparente en bornas de BT del transformador de potencia. ........................... 138

Figura 76: Aos de servicio con temperatura ambiente de 20 C en funcin de la potencia

aparente nominal. ...................................................................................................................... 140

ndice de Tablas xv

ndice de Tablas

Tabla 1: Valores del factor de relleno en ncleos para transformadores (chapas 0,35 mm) con

diversos aislamientos ([RAS 88]). .............................................................................................. 13

Tabla 2: Caractersticas fundamentales de los principales aceites utilizados en la construccin

de transformadores y su comparacin con el aire ([FRAI03]). .............................................. 18

Tabla 3: Smbolos empleados para sealar la naturaleza del refrigerante y su modo de

circulacin (EN 60076-2:1997)..................................................................................................... 20

Tabla 4: Cuadro comparativo para una misma potencia de transformador con tensiones

compuestas y flujos en los ncleos iguales............................................................................... 26

Tabla 5: Disposicin y designacin de los bornes de un transformador segn la

recomendacin CEI 76................................................................................................................. 31

Tabla 6: Lmites de corriente y temperatura aplicables a cargas superiores a los valores

asignados en cargas cclicas normales (UNE 20 110:1995). .................................................... 64

Tabla 7: Caractersticas trmicas utilizadas en el clculo de carga (UNE 20 110:1995). ................ 66

Tabla 8: Velocidad relativa de envejecimiento funcin de la temperatura del punto ms

caliente (UNE 20 110). ................................................................................................................. 68

Tabla 9: Niveles tpicos de tensin a los que se conectan los parques elicos en funcin de la

potencia instalada. ....................................................................................................................... 75

Tabla 10: Valores tpicos de la rugosidad ([RODR03])....................................................................... 92

Tabla 11: Condiciones normales de operacin del sistema elctrico en terminales de un

aerogenerador (IEC 61400-1). ................................................................................................... 106

Tabla 12: Sistemas elicos y su efecto en la calidad de onda........................................................... 107

Tabla 13: Niveles de compatibilidad de la severidad de flicker en redes de distribucin

(UNESA)...................................................................................................................................... 113

Tabla 14: Niveles de CEM para las tasas de los armnicos de tensin (UNESA)......................... 122

Tabla 15: Caractersticas del emplazamiento..................................................................................... 133

Tabla 16: Caractersticas del parque elico Sierra de la Oliva........................................................ 134

Tabla 17: Produccin ideal. Parque elico Sierra de la Oliva.. ........................................................ 138

Tabla 18: Rendimientos, efectos orogrficos y factor de estela. ..................................................... 138

Tabla 19: Factores de carga funcin de la potencia aparente del transformador bajo las

condiciones de parque ideal. .................................................................................................... 139

Tabla 20: Envejecimiento y esperanza de vida para un transformador de potencia de 26 MVA

y 26,5 MVA para el parque elico de Sierra de la Oliva ....................................................... 141

Tabla 21: Normativa transformadores de potencia y equipos asociados. ..................................... 143

Tabla 22: Comparativa de ofertas tcnicas transformador de potencia 26,5 MVA 13210% /

20 kV. ........................................................................................................................................... 154

ndice de Tablas xvi

Tabla 23: Comparativa de ofertas econmicas transformador de potencia 26,5 MVA 13210%

/ 20 kV......................................................................................................................................... 155

Tabla 24: Caractersticas ms significativas de las ofertas econmicas.......................................... 155

Tabla 25: Prdidas en el hierro. ........................................................................................................... 157

Tabla 26: Prdidas en el cobre. ............................................................................................................ 158

Tabla 27: Prdidas en el cobre y en el hierro. .................................................................................... 158

Tabla 28: Precio total del transformador. ........................................................................................... 159

Tabla 29: Posicin segn caractersticas econmicas por precio final............................................ 159

Tabla 30: Presupuesto de la obra civil. ............................................................................................... 159

1 Introduccin

1 Introduccin 2

1 Introduccin

1.1 Motivacin del proyecto

La energa elica en Espaa ha experimentado durante la ltima dcada un

extraordinario desarrollo, slo superado a nivel mundial por el acontecido en

Alemania.

Figura 1: Potencia Instalada Acumulada en MW al final del 2005 en Europa (EWEA).

Ello ha sido motivado, principalmente, por disponer de unos destacables recursos

elicos as como una legislacin muy favorable, tanto a nivel nacional como regional.

Al mismo tiempo, el alto grado de madurez alcanzado por el sector ha proporcionado

una elevada competitividad tecnolgica, junto con expectativas de rentabilidad

razonables capaces de animar la inversin privada.

1 Introduccin 3

Espaa es un pas con una enorme dependencia energtica de fuentes externas

debido a la inexistencia de yacimientos petrolferos o de gas natural en su territorio.

Solamente existen yacimientos de carbn, pero desgraciadamente de baja calidad.

Debido al hecho de que Espaa es un pas con recursos del viento excelentes y con

una tecnologa de aerogeneradores bien desarrollada, la energa del viento es una

alternativa clara para la integracin de esta forma de energa renovable en el mix

energtico espaol.

El total de la generacin elica en el ao 2005, de acuerdo con los datos de Red

Elctrica de Espaa (REE), alcanz la cifra de 20.236 GWh, lo supone un 7,78% del total

de la demanda de 2005. De esta forma, la energa elica se consolida como la cuarta

tecnologa de generacin de electricidad a gran escala en Espaa, adems de

complementar progresivamente a la hidrulica como fuente renovable de bajos costes

variables.

Aunque el ritmo de instalacin durante 2005 se ha visto desacelerado frente a 2004

debido fundamentalmente a los retrasos administrativos y la concrecin de los accesos

y puntos de conexin en la red de transporte elctrico. El sector sigue manteniendo un

crecimiento continuado en proyectos de parques elicos que hace prever el

cumplimiento del objetivo de 20.155 MW en 2010 previstos en el Plan de Energas

Renovables 2005-2010.

Figura 2: Generacin Elica y Potencia Instalada en Espaa (REE).

1 Introduccin 4

El desarrollo de la generacin elica es tambin importante para el sector energtico

espaol a la hora de aumentar la seguridad estratgica de suministro, puesto que, a

diferencia de los ciclos combinados, no requiere importaciones de combustible, con los

consiguientes riesgos asociados a los pases productores de combustibles, ni est

condicionado por las fluctuaciones de precios.

Espaa, al igual que el resto de pases de la Unin Europea, ha asumido el

compromiso de reduccin de emisiones de gases de efecto invernadero establecido en

el Protocolo de Kyoto. En ste se fij un cupo de emisiones para el periodo 2008-2012

que tomaba como ao base las emisiones de gases de efecto invernadero de 1990, a

partir del cual se calculaba un porcentaje de aumento/reduccin de las mismas en

funcin de la situacin de cada pas. En el caso de Espaa, se fij un porcentaje de

aumento de emisiones del 15% sobre el ao base de 1990 para el periodo 2008-2012.

Como consecuencia del rpido crecimiento econmico espaol en los ltimos aos,

Espaa es en la actualidad el pas de la Unin Europea que ms se aleja del

compromiso de Kyoto. Esto la sita ante el importante reto de hacer compatible el

esfuerzo medioambiental por cumplir los compromisos adquiridos en Kyoto con el

mantenimiento de un crecimiento econmico que facilite el proceso de convergencia

con Europa.

Actualmente, Espaa est un 23% por encima del nivel de emisiones de CO2

necesario para cumplir sus compromisos. El objetivo de la planificacin energtica del

Ministerio de Economa para la generacin elica permitir reducir las emisiones de

CO2 del sector energtico en ms de un 11% para el 2011, si consideramos que la

generacin elica sustituir a la generacin con ciclos combinados.

La energa elica cuenta hoy en da con una tecnologa de aprovechamiento

totalmente madura pero la extensin de este tipo de energa har que sea importante

su incidencia en la red y ms an si se tiene en cuenta la aleatoriedad de la produccin.

Dentro de un parque el transformador de potencia es un elemento que supone un

alto coste de la inversin de la subestacin. Normalmente se sobredimensionan para

evitar problemas y se les dota de regulacin en carga, lo que supone un sobre coste

aadido.

1 Introduccin 5

Dentro de las construcciones elctricas, el transformador constituye uno de los

productos susceptibles de un estudio matemtico preciso: su simplicidad estructural y

la homogeneidad de los circuitos elctricos y magnticos, incluidos los de dispersin,

se prestan al clculo.

Esta posibilidad matemtica ofrecida por los transformadores invita a extender los

desarrollos analticos desde el campo puramente tcnico a otro no menos interesante,

de importancia decisiva para la actividad industrial, es decir, al terreno econmico

donde forzosamente se contrastan en ltimo trmino todos los valores tcnicos. Es

sencillo construir mquinas irreprochables cuando el precio no cuenta, como es fcil

tambin sacrificar la calidad para obtener construcciones baratas. Lo verdaderamente

difcil es unir ambas cualidades: calidad y economa. De hecho, muchos

transformadores, al parecer bien estudiados, podran resolverse de una forma ms

econmica y, lo que es sorprendente, conseguir a la vez mejores caractersticas de

servicio, a igualdad de calidad de los materiales, debido a que el rendimiento no es el

ptimo para el nivel de carga habitual.

El clculo de un transformador, simplemente para cierta potencia y tensiones

determinadas, an cuando se fijan las condiciones de calentamiento, es susceptible de

infinitas soluciones.

La sujecin a otras caractersticas tcnicas adicionales (prdidas, tensin de

cortocircuito,) o econmicas (costo, gasto de explotacin, mantenimiento,) va

limitando progresivamente el grado de libertad hasta llevar el problema a un terreno

ms determinado que puede conducir a un nmero finito de soluciones, a una solucin

nica o incluso provocar una incompatibilidad matemtica.

Entre ambos extremos, la absoluta indeterminacin y la solucin imposible, existe,

pues, toda una gama de posiciones intermedias que satisfacen tanto las prescripciones

tcnicas como un resultado econmico satisfactorio.

1.2 Objetivos

El objetivo principal del proyecto es la eleccin del transformador de salida de

potencia de un parque elico, considerando todos los factores asociados: curva prevista

de potencia generada, tipo de compensacin de potencia reactiva, variacin de tensin

1 Introduccin 6

de red, caractersticas climticas, variacin de las condiciones ambientales, vida del

parque, etc. Se considerar el diseo de los parmetros bsicos y adicionales del

transformador (potencia, refrigeracin, cambiador de tomas, prdidas, etc.) para

obtener la mejor solucin tcnica que permita optimizar los costes de infraestructura.

El proyecto se centra en un proyecto llave en mano de un parque elico actualmente en

marcha en la empresa Socoin Ingeniera y Construccin Industrial, SL.U.

Como objetivos secundarios se encuentran los siguientes:

- Adquirir las nociones bsicas del desarrollo de un estudio tcnico, en las que se

incluyen la gestin y el desarrollo del mismo.

- Profundizar en el estudio sobre el funcionamiento de los parques elicos y la

legislacin que lo regula, as como de los elementos que lo componen.

- Profundizar en el estudio sobre el funcionamiento de los transformadores de

potencia y la legislacin que lo regula, as como de los elementos que lo

componen.

2 Introduccin a los

Transformadores de Potencia

2 Introduccin a los Transformadores de Potencia 8

2 Introduccin a los Transformadores de Potencia

En este capitulo se describen los principios fundamentales de los transformadores

de potencia y los principales aspectos constructivos.

2.1 Fundamentos de los Transformadores de Potencia

Los transformadores de potencia son aparatos estticos, con dos o ms

arrollamientos, que por induccin electromagntica transforma un sistema de tensin y

corriente alterna en otro sistema de tensin y corriente alterna, de la misma frecuencia,

generalmente de valores diferentes, con el fin de transmitir la potencia elctrica.

Si se dispone un arollamiento en un circuito magntico como el de la Figura 3a se

tiene una bobina de reactancia.

Figura 3: Bobina de reactancia ideal (a) y real (b) ([RAS 88]).

En las N1 espiras del arrollamiento se origina, por autoinduccin, una fuerza

electromotriz (f.e.m.) e1,

dtdNe 11 = Ec. 1

Despreciando las cadas de tensin por resistencia (R1 = 0), puede admitirse, como

una primera aproximacin, que la f.e.m. es igual y de signo contrario a la tensin

aplicada (aunque no se cumple pues implicara io = 0).


011 =+ eu Ec. 2

Operando,

dtdNeu 111 == Ec. 3

Luego el valor eficaz de e1,

mmm BsfNNfNwE == 1111 44,444,421 Ec. 4

Siendo s la seccin en el hierro y Bm la induccin mxima.

En realidad, el arrollamiento tiene una resistencia R1. Adems, el flujo no queda confinado totalmente en el circuito magntico. Una parte (d) se establece en el aire. A este flujo se le denomina flujo de dispersin. En la Figura 3b se representa la bobina de

reactancia real (R1 y d) y el flujo de dispersin.

Figura 4: Transformador en vaco (a) y con en carga (b) ([RAS 88]).

Si al ncleo se le agrega un segundo arrollamiento, Figura 4a, se obtiene un

transformador. En un transformador en vaco, es decir, con el segundo arrollamiento

abierto (sin carga) se induce una f.e.m. alterna senoidal.

dtdNeu 222 == Ec. 5

mm NfNwE = 222 44,421

Ec. 6


Al ser i2 = 0 (vaco), e2 = u2, con lo que, prescindiendo del signo se obtiene:

2

1

2

1

2

1

2

1

NN

UU

UU

u

u

m

m== Ec. 7

La relacin de transformacin nominal (rtn) es el cociente,

vacio

nominaltn U

Ur

,2

,1= Ec. 8

Si ahora se conecta una impedancia de carga Zc, Figura 4b, se origina una corriente

senoidal (por serlo e2). Por el primer arrollamiento circula una corriente i1. Si se aplica

una tensin U1 = U1, nominal al primer arrollamiento, en el segundo aparece otra, U2, muy

similar a U2, vaco.

tnvacio

nominalr

UU

UU

=

,2

,1

2

1 Ec. 9

Suponiendo que el transformador tiene muy pocas prdidas (los transformadores

de 10 MVA a 100 MVA suelen tener rendimientos entre 99% y 99,7%). Por el principio

de la conservacin de la energa se obtiene:

222111 coscos IUIU Ec. 10

Luego,

1

2

11

22

2

1

cos

cos1cos

cos

=

tnrUU

II

Ec. 11

A plena carga, puede hacerse como primera aproximacin,

212211 IUIU Ec. 12

Luego:

tnrI

I 12

1 Ec. 13


Es decir, las potencias aparente absorbida en el primario y cedida en el secundario,

son, aproximadamente, iguales.

2.2 Principales Aspectos Constructivos

El transformador consta de las siguientes partes principales: ncleo, devanado,

sistema de refrigeracin y aisladores pasantes de salida.

Figura 5: Transformador de potencia Smit (Grupo SGB) 31,5/40 MVA 120/22 kV ONAF / ONAN.

2.2.1 Ncleo

Se denomina ncleo del transformador el sistema que forma su circuito magntico,

que est constituido por chapas de acero al silicio (del orden del 3% al 5%),

modernamente laminadas en fro (grano orientado), que han sido sometidas a un

tratamiento qumico especial que las recubre de una capa aislante muy delgada (0,01

mm), lo que reduce considerablemente las prdidas en el hierro. La aportacin del

silicio tiene la finalidad de reducir las prdidas por histresis y de aumentar la

resistividad del acero, Reduciendo la resistividad del acero se logra disminuir las


prdidas por corrientes parsitas. Adems, el silicio estabiliza la chapa, en el sentido de

prcticamente evitarle el envejecimiento (aumento de las prdidas con el tiempo,

principalmente por la accin continuada del calor). El espesor de las chapas utilizadas

es de, aproximadamente, 0,35 mm. Las prdidas por histresis y por corrientes

parsitas suelen darse en vatios por kilogramo de material, referidas a 50 Hz y 1 T (1 T

= 10.000 Gauss). La chapa de grano orientado ofrece valores tipo de 0,4 0,5 W/kg(1T)

y 1 1,2 W/kg (1,5T). Los transformadores de fabricacin actual se suelen proyectar

con inducciones que oscilan entre 1,5 T y 1,85 T.

Figura 6: Montaje del ncleo de un transformador de potencia IMEFY.

El aislamiento entre chapas magnticas puede ser de diversa naturaleza. En el

pasado se usaba generalmente papel, que se pegaba antes del corte en una de las caras

de la chapa magntica. Posteriormente, se utiliz barniz (silicato sdico). Actualmente,

las chapas de grano orientado vienen preparadas con un tratamiento termoqumico

(comercialmente recibe el nombre de carlite) que proporciona el aislamiento necesarios

(en ambas caras). Es notable tambin el progreso conseguido en el factor de relleno o

de aprovechamiento (cociente de dividir la seccin en el hierro de ncleo por la seccin

del hierro ms el aislamiento).


Tipo de aislamiento Factor de relleno

Papel (una cara) 0,88

Silicato sdico (una cara) 0,90

Carlite (dos caras) 0,95 0,97

Tabla 1: Valores del factor de relleno en ncleos para transformadores (chapas 0,35 mm) con diversos aislamientos

([RAS 88]).

El ltimo factor de relleno debe su elevado valor no slo al tipo de aislamiento, sino,

tambin, al hecho de que la chapa laminada en fro es ms lisa que la normal (laminada

en caliente).

Figura 7: Circuito magntico y devanados de un transformador trifsico ([FRAI03]).

El circuito magntico est compuesto por las columnas, que son las partes donde se

montan los devanados, y las culatas, que son las partes que realizan la unin entre

columnas. Los espacios entre las columnas y las culatas, por los cuales pasan los

devanados, se llaman ventanas del ncleo. Las uniones de las columnas con las culatas

se denominan juntas, y deben tener un espesor lo ms pequeo posible con objeto de

reducir al mximo la reluctancia del circuito magntico. La culata superior tiene que

poder abrir para poder colocar las bobinas y los aislantes. Las uniones o juntas pueden

realizarse a tope (o plana) o bien a solape (entrelazada). En la construccin a tope

(Figura 8a) las columnas y las culatas se montan separadamente y luego s unen con

ayuda de piezas de sujecin. En la construccin al solape todo el ncleo magntico se


construye de una vez, de tal forma que, como se ve en la Figura 8b, se van

ensamblando las chapas con un desfase de posicin entre chapas sucesivas (pares e

impares) igual a la anchura de las chapas de la culata; este montaje, aunque es ms

complicado que el anterior, permite un aumento de la estabilidad mecnica del

conjunto. En cualquiera de los dos casos, existe una zona al lado de la junta en la que el

flujo no sigue la direccin de laminacin y esto origina, en el caso de chapas de grano

orientado, un calentamiento local debido al aumento de prdidas en el hierro; para

evitar esto, las uniones, bien sean a tope o al solape, no se realizan a 90 como se indica

en la Figura 8, sino a 45.

Figura 8: Uniones de chapas de transformadores ([FRAI03]).

Otro aspecto caracterstico de los ncleos son las secciones transversales de las

columnas. En los transformadores pequeos se construyen de forma cuadrada, sin

embargo, para potencias elevadas la seccin transversal de cada rama tiene forma de

un polgono escalonado, con un nmero de escalones que es tanto mayor cuanto ms

elevada sea la potencia de transformador. Esto se hace para obtener un mejor

aprovechamiento del rea interior de los devanados (de seccin circular). De esta

forma cuanto mayor sea el transformador ms tiende al crculo la seccin del ncleo.

Figura 9: Ncleos de transformador tipo ([FRAI03]).

En la Figura 9 se muestran algunos ejemplos tpicos indicando tambin la potencia

mxima de utilizacin correspondiente a cada configuracin. En los transformadores


de gran potencia, para mejorar la evacuacin de calor se intercalan canales de

ventilacin entre los paquetes de chapas. El conjunto de las chapas debe ser finalmente

apretado por medio de bridas de madera o de perfiles de hierro con la ayuda de

bulones aislados; de esta forma se consigue rigidez mecnica al conjunto y se evitan

vibraciones.

2.2.2 Devanados

Constituyen el circuito elctrico del transformador. Se realizan de conductores de

cobre, en forma de hilos redondos (para dimetros inferiores a 4 mm) o de seccin

rectangular (pletinas de cobre) cuando se requieren secciones mayores. Los

conductores estn recubiertos por una capa aislante, que suele ser de barniz en los

pequeos transformadores y que en el caso de pletinas est formada por una o varias

capas de fibra de algodn o cinta de papel.

Figura 10: Devanado en capas de un transformador IMEFY 40 MVA 66 kV.

Segn sea la disposicin relativa entre los arrollamientos del primario (mayor

tensin) y secundario (menor tensin), los devanados pueden ser concntricos o

alternados. En los devanados concntricos los arrollamientos tienen forma de cilindros

coaxiales (Figura 11); generalmente se coloca ms cerca de la columna el secundario, ya

que es ms fcil de aislar que el primario, y entre ambos bobinados se intercala un

cilindro aislante de cartn o papel baquelizado. En los devanados alternados (Figura

11) los arrollamientos se subdividen en secciones de tal forma que las partes de los

devanados del primario y del secundario se suceden alternativamente a lo largo de la

columna. Para disminuir el flujo de dispersin, es frecuente que en cada extremo se


coloque media bobina, que por razones obvias de aislamiento pertenecen al

arrollamiento secundario.

Figura 11: Devanados concntricos y alternados.

2.2.3 Sistemas de Refrigeracin

Las prdidas en los arrollamientos, en el ncleo y en otros elementos motivan el

calentamiento del transformador. Para evitar que se alcancen temperaturas que pueden

afectar la vida de los aislamientos de los devanados es preciso dotar al transformador

de un sistema de refrigeracin adecuado. Para potencias pequeas, la superficie

externa del transformador es suficiente para evacuar el calor generado por las prdidas

(transformadores en seco). Para potencias elevadas se emplea como medio refrigerante

el aceite (transformadores en bao de aceite). El aceite tiene una doble misin de

refrigerante y aislante, ya que posee una capacidad trmica y una rigidez dielctrica

superior al aire. En estos transformadores, la parte activa se introduce en una cuba de

aceite mineral, cuyo aspecto externo puede tener forma plana, ondulada o con tubos

radiadores adosados, realizndose la eliminacin de calor por radiacin y conveccin

natural. El aceite mineral empleado procede de un subproducto de la destilacin

fraccionada del petrleo y con el tiempo puede experimentar un proceso de

envejecimiento, lo que indica que se oxida y polimeriza formando lodos, proceso que

es activado por la temperatura, la humedad y el contacto con el oxgeno del aire; con

ello, el aceite presenta una disminucin de sus propiedades refrigerantes y aislantes.

Para atenuar este efecto suelen aadirse al aceite productos qumicos inhibidores, y

tambin se dota la cuba de un depsito de expansin o conservador colocado en la

parte alta del transformador (Figura 12).


Figura 12: Aspectos constructivos de un transformador ([FRAI03]).

La misin del depsito es doble: por una parte se logra que la cuba principal est

totalmente llena de aceite, de tal forma que slo existe una pequea superficie de

contacto con el aire en el conservador (la capacidad de este depsito es del orden del

8% del total); por otra parte, este depsito es el que absorbe las dilataciones del aceite al

calentarse. Cuando el transformador se enfra, el aire penetra por l, y como el aire

arrastra humedad, que es absorbida por el aceite, para evitarlo se coloca a la entrada un

desecador de cloruro clcico o un gel de slice.

Desde un punto de vista histrico, la utilizacin del aceite mineral con su doble

funcin de aislante y refrigerante hizo posible el desarrollo de transformadores de gran

potencia. El aceite mineral tiene, sin embargo, dos inconvenientes graves: es inflamable

y sus vapores, en ciertas condiciones, forman con el aire mezclas explosivas. Por estos

motivos la utilizacin del aceite mineral est prohibida en ciertos locales y ambientes.

Hasta 1932 no se encontr un sustituto del aceite mineral que fuera til para los

transformadores. En este ao se logr desarrollar un lquido aislante sinttico (aceite


sinttico) conocido con el nombre genrico de askarel, que era en realidad un

hidrocarburo aromtico clorado que ofreca grandes ventajas frente a los aceites

clsicos de transformadores (hidrocarburos puros), ya que no era inflamable ni

explosivo. Estos aceites sintticos se han conocido en el mercado con los nombres

comerciales de pyranol, pyraleno, inerteen, etc. Desgraciadamente, debido a las

dificultades de eliminacin y reduccin del pyraleno, con el consiguiente impacto

ecolgico que presenta, a partir de la dcada de los ochenta, se ha prohibido su

utilizacin en la construccin de nuevos transformadores. Modernamente se ha

impulsado el uso de aceites de siliconas, que presentan un nuevo avance tecnolgico

para intentar aunar las funciones de aislante y refrigerante con un reducido impacto

ambiental.

Denominacin Densidad

(kg/m3)

Conductividad

trmica (W/mC)

Permitividad

dielctrica relativa

Rigidez dielctrica (kV/cm)

Hidrocarburos puros

(aceite de trafo) 900 0,16 2,2 200

Pyralenos 1.820 0,01 4,5 290

Aceite de silicio 960 0,15 2,56 200 a 300

Aire 1.293 0,024 1 32

Tabla 2: Caractersticas fundamentales de los principales aceites utilizados en la construccin de transformadores y

su comparacin con el aire ([FRAI03]).

Los transformadores de distribucin de menos de 200 kVA estn normalmente

sumergidos en aceite dentro de la cuba principal de acero.

Figura 13: Cuba transformador de potencia IMEFY 12 MVA 45 / 15 kV ONAN.


El aceite transmite el calor a la cuba, desde donde se dispersa por conveccin y por

radiacin al aire exterior. A medida que la potencia asignada va siendo mayor, se van

aadiendo radiadores externos para aumentar la superficie de enfriamiento de la cuba

llena de aceite. El aceite circula alrededor de los devanados hacia los radiadores, en

donde el calor es cedido al exterior. En el caso de potencias ms elevadas, se insufla

aire sobre los radiadores mediante ventiladores adecuados.

Figura 14: Ventilador de refrigeracin IMEFY.

En transformadores del orden de los MVA se puede refrigerar mediante un

intercambiador de calor aceite agua. El aceite caliente se bombea a travs de un

serpentn en contacto con agua fra. Este sistema es muy eficaz pero tambin muy

costoso, ya que a su vez debe enfriarse el agua para ponerla otra vez en circulacin. El

tipo de refrigeracin de un transformador se designa segn las Normas CEI (Comisin

Electrotcnica Internacional) por cuatro letras. Las dos primeras se refieren al tipo de

refrigerante en contacto con los arrollamientos y a la naturaleza de su circulacin y las

otras dos letras se refieren al refrigerante en contacto con el sistema de refrigeracin

exterior y a su modo de circulacin (Tabla 3).

Al inicio de la dcada de los ochenta se inicio un nuevo sistema de construccin de

transformadores secos encapsulados en resina epoxi. Este tipo de transformador es el

ms idneo para instalaciones que requieren gran seguridad, fundamentalmente

interiores: locales de pblica concurrencia, hospitales, centros comerciales, ferrocarriles

metropolitanos, fbricas de productos combustibles, minas, etc. No propagan el fuego,

son autoextinguibles, no se derrama material inflamable ni contaminante en caso de


avera, como ocurre con el aceite y la silicona. No requieren mantenimiento, no tienen

niveles que controlar ni foso colector de aceites y no requieren equipos contra

incendios. Los arrollamientos de alta tensin estn completamente encapsulados en

una masa de resina epoxi cargada con silicato de fluor, tratada convenientemente para

mejorar la adherencia y la resistencia a la humedad; el conductor es en forma de hilos

esmaltados o pletinas recubiertas con papel aislante. Los devanados del secundario

emplean conductores en forma de pletinas de cobre aisladas con papel. La aplicacin

de esta tcnica, junto con el empleo de aislamientos preimpregnados, permite obtener

unos arrollamientos compactos, resistentes a la humedad, de fcil disipacin de calor y

muy buen comportamiento a los esfuerzos dinmicos que se producen en caso de

cortocircuitos.

Primera letra: medio de refrigeracin interno en contacto con los arrollamientos

O Aceite mineral o lquido aislante sinttico con punto de inflamacin* 300 C.

K Lquido aislante con punto de inflamacin* > 300 C (Pyraleno).

L Lquido aislante con punto de inflamacin no medible.

Segunda letra: modo de circulacin del medio de refrigeracin interno

N Circulacin natural por termosifn a travs del sistema de refrigeracin y en los

arrollamientos.

F Circulacin forzada a travs del sistema de refrigeracin, circulacin por termosifn en

los arrollamientos

D Circulacin forzada a travs del sistema de refrigeracin. Dirigida desde el sistema de

refrigeracin hasta al menos los arrollamientos principales.

Tercera letra: medio de refrigeracin externo

A Aire

W Agua

Cuarta letra: modo de circulacin del fluido externo

N Conveccin natural

F Conveccin forzada (ventiladores, bombas)

Tabla 3: Smbolos empleados para sealar la naturaleza del refrigerante y su modo de circulacin (EN 60076-2:1997).

* Mtodo de ensayo en vaso abierto de Cleveland (Norma ISO 2592).


2.2.4 Aisladores Pasantes y Otros Elementos

Los bornes de los transformadores de potencia se llevan al exterior de la cuba

mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite.

Cuando se utilizan altas tensiones aparece un fuerte campo elctrico entre el conductor

terminal y el borde del orificio en la tapa superior de la cuba, y para evitar la

perforacin del aislador, ste se realiza con una serie de cilindros que rodean la borna

metlica dentro del espacio cerrado que contiene el aceite. Los pasatapas del primario y

del secundario en un transformador se distinguen por su altura, siendo tanto ms altos

cuanto mayor es la tensin, como puede observarse en la Figura 12. Otro elemento que

suelen llevar los transformadores de gran potencia es el llamado rel Buchholz (Figura

15), que protege a la mquina de sobrecargas peligrosas, fallos de aislamiento, etc.

Figura 15: Rel Buchholz y esquema elctrico de proteccin.

Este rel se coloca en el tubo que une la cuba principal con el depsito de expansin,

y funciona por el movimiento de vapor de aceite producido por un calentamiento

anmalo del transformador que hace bascular un sistema de dos flotadores: el primero

(flotador 1 de la Figura 15) es sensible a las sobrecargas ligeras, y al descender provoca


la activacin de una alarma acstica; el segundo (Flotador 2 de la Figura 15) es sensible

a las sobrecargas elevadas, que dan lugar a una formacin de gas en la cuba principal,

que al empujar el flotador provoca el cierre del circuito de unos rels que controlan el

disparo de unos disyuntores de entrada y salida del transformador.

2.3 Potencia Nominal de un Transformador

La potencia nominal de un transformador siempre se refiere a la potencia aparente

(S). Por definicin, la potencia nominal (VA) de un transformador es el producto de su

tensin nominal del primario por la corriente nominal correspondiente (estando el

transformador con tensin nominal en bornes del primario, la potencia aparente que

puede proporcionar el secundario difiere de la nominal por la cada interna del

transformador). Tensiones y corrientes nominales son aquellas para las cuales el

transformador ha sido diseado. La norma EN 60076-1:1997 establece que un

transformador con dos arrollamientos tiene solamente un valor de potencia asignada,

que es idntico para ambos arrollamientos.

El transformador, en rgimen de trabajo, se calienta por las prdidas en el hierro

(ncleo) y en los arrollamientos (efecto Joule). Segn la norma EN 60076-1:1997 el

transformador ser capaz de transmitir en servicio continuo, la potencia asignada en

1,2 sin sobrepasar los lmites de calentamiento especificados en la Norma CEI 76-2

siempre que se encuentre bajo las siguientes condiciones:

La altitud del lugar de instalacin debe ser inferior a 1.000 m sobre el nivel

del mar.

La temperatura del aire debe estar comprendida entre -25 C y +40 C. Las

condiciones de temperatura no deben exceder +30 C de media mensual, del

mes mas caluroso, ni +20 C de media anual para transformadores

refrigerados por aire sumergidos en aceite.

La tensin de alimentacin debe tener una forma prcticamente sinusoidal

(no debe exceder de un 5% en el contenido total de armnicos ni del 1% para

los armnicos de orden par).

Las tensiones de alimentacin deben ser prcticamente simtricas.


Un ambientes con condiciones de contaminacin ligeras (Norma CEI 137 y

CEI 815), que no requieran cuidados especiales referentes al aislamiento

externo de los pasatapas o del mismo transformador.

Un medio no expuesto a riesgo de actividad ssmica (cuando el nivel de

aceleracin vertical, ag, no sobrepase los 2 m/s2).

2.4 Transformadores Trifsicos

La transformacin de tensiones y corrientes en los sistemas trifsicos puede

realizarse de dos maneras distintas. La primera de ellas consiste en emplear un

transformador monofsico en cada una de las tres fases, de tal manera que se formen

circuitos magnticos independientes. Este sistema es poco econmico, ya que emplea

mucho volumen de hierro, a la par que es poco prctico por ser necesario incorporar

tres unidades idnticas. La segunda manera consiste en emplear un slo ncleo

magntico en el que se incorporan todos los devanados necesarios. En este caso, el

sistema est formado por tres columnas iguales sobre las que se arrollan las espiras que

constituyen los bobinados primario y secundario de cada fase. Tal disposicin es la que

se utiliza en la prctica pese a que presenta una asimetra en la columna central,

merced al menor recorrido del flujo. Este hecho produce un desequilibrio en las

corrientes de vaco de las tres fases, pero su efecto en carga es prcticamente

despreciable.

Figura 16: Circuito magntico de un transformador trifsico ([HARL04]).


En el estudio del transformador trifsico hay que considerar cada columna como un

transformador monofsico, de tal forma que los esquemas equivalentes, ensayos, etc.,

deben expresarse en valores simples, pudindose aplicar las mismas tcnicas de

anlisis empleadas en los transformadores monofsicos.

2.4.1 Esquemas Equivalentes

Suponiendo regmenes equilibrados con transformadores trifsicos estrellaestrella,

se pueden trazar esquemas equivalentes. En el caso de un transformador el desarrollo

de un circuito equivalente se inicia reduciendo ambos devanados al mismo nmero de

espiras. Si se reduce el secundario al primario, lo que quiere decir que se sustituye el

transformador original por otro que tiene el mismo primario con N1 espiras y un nuevo

secundario con un nmero de espiras N2 igual a N1. Para que este nuevo

transformador sea equivalente al original, deben conservarse las condiciones

energticas, es decir, las potencias activa y reactiva y su distribucin entre los diversos

elementos del circuito secundario. De acuerdo con el principio de igualdad de

potencias, prdidas, etc., se obtienen las siguientes relaciones entre las magnitudes

secundarias de los transformadores real y equivalente (para diferenciarlas se marcan

con una tilde).

Figura 17: Circuito equivalente de un transformador real reducido al primario ([FRAI03]).

El transformador real cumple:

tn

tnr

EEr

NN

EE 1

22

1

2

1=== Ec. 14

En el transformador equivalente, al ser N2 igual a N1, se tiene:

2122

1

2

1'1

''

ErEENN

EE

tn ==== Ec. 15


De forma anloga se obtiene la siguiente expresin para V2:

22 V'V = tnr Ec. 16

La conservacin de la potencia aparente de ambos secundarios indica que:

'I'VIVS 22222 == Ec. 17

Teniendo en cuenta las relaciones anteriores se obtiene:

tnr

22

I'I = Ec. 18

Al igualar las potencias activas que se disipan en las resistencias, se obtiene:

2222

22 'I'RI =R Ec. 19

De donde se deduce:

22

2 'R Rrtn = Ec. 20

De forma similar, planteando la conservacin de la potencia reactiva en las

reactancias:

2222

22 'I'XI =X Ec. 21

22

2 'X Xrtn = Ec. 22

En general, cualquier impedancia conectada en el secundario del transformador se

reducir al primario siguiendo las relaciones anteriores.

LtnL Zr =2

'Z Ec. 23

La importancia fundamental de la reduccin de los devanados al haber elegido que

N2 sea igual a N1 estiba en que se puede llegar a obtener una representacin del

transformador en la que no exista la funcin de transformacin, o dicho en otros

trminos, se sustituye el circuito de acoplamiento magntico por un circuito elctrico.


Si se tiene en cuenta la igualdad existente entre las f.e.m.s primaria y secundaria, lo

cual permite reunir los extremos de igual polaridad instantnea, sustituyendo ambos

devanados por uno solo. Por este arrollamiento nico circular una corriente

diferencia: I1 - I2, que es igual a la corriente de vaco Io. sta a su vez, tiene dos

componentes, una activa Ife y otra reactiva I; y representan un circuito paralelo

formado por una resistencia Rfe, cuyas prdidas por efecto Joule indican las prdidas en

el hierro del transformador y por una reactancia X por la que se deriva la corriente de

magnetizacin del transformador. De acuerdo con estos razonamientos se obtiene el

circuito equivalente exacto del transformador reducido al primario.

Figura 18: Circuito equivalente en T de un transformador reducido al primario ([FRAI03]).

Si se trata de transformadores tringulo-tringulo, estrella-tringulo o tringulo

estrella, se trabaja con esquemas fase-neutro aun cuando el neutro sea puramente ideal.

Hay que tener presente que tales conexiones pueden motivar desfases entre U1 y U2.

Estrella Tringulo Zigzag

Tensin compuesta U U U

Intensidad de lnea I I I

Intensidad por arrollamiento I I / 3 I

Nmero de espiras N 3 N (2 / 3) N

Tabla 4: Cuadro comparativo para una misma potencia de transformador con tensiones compuestas y flujos en los

ncleos iguales.


2.4.2 Armnicos en las Corrientes de Excitacin de Transformadores Trifsicos

2.4.2.1 Bancos Trifsicos a Base de Transformadores Monofsicos

Si se aplica una tensin senoidal a un transformador monofsico y el ncleo trabaja

en el codo de saturacin, se obtiene una corriente de excitacin de forma acampanada

con un contenido de armnicos impares. Aparte del armnico principal, el ms

importante es el tercero. Si se considera un banco trifsico a base de tres

transformadores monofsicos conectados en estrella-estrella, las corrientes de vaco de

cada uno de los transformadores sern:

)3cos(2)cos(2 3,3,3,1,, +++= tItIi IoIoIo Ec. 24

)12033cos(2)120cos(2 3,3,3,1,, +++= tItIi IIoIIoIIo Ec. 25

)1203cos(2)120cos(2 3,3,3,1,, +++++= tItIi IIIoIIIoIIIo Ec. 26

Las componentes fundamentales de las corrientes de vaco de cada transformador

forman un sistema trifsico equilibrado, mientras que las corrientes de tercer armnico

estn en fase.

Figura 19: Armnico fundamental y tercero del banco de transformadores ([FRAI03]).

Si el primario del banco de transformadores dispone de hilo de neutro, la corriente

de retorno es:

[ ] 3,33,, 3)3cos(23 ooNo itIi =+= Ec. 27


Es decir, circula una corriente de tercer armnico que es el triple del valor

correspondiente a cada uno de los transformadores.

Si se elimina el conductor de neutro la suma de las tres corrientes de vaco ser igual

a cero.

0)()(,3,,3,,3,,1,,1,,1, =+++++ IIIoIIoIoIIIoIIoIo IIIIII Ec. 28

El primer parntesis da un valor nulo, puesto que representa la suma de las

componentes fundamentales de las corrientes de vaco, que constituyen un sistema

equilibrado. Para que se anule el segundo parntesis ser preciso que se anulen las

componentes de corriente de tercer armnico:

0,3,,3,,3, === IIIoIIoIo III Ec. 29

La no existencia de terceros armnicos en la corriente de excitacin indica que la

corriente se hace senoidal, lo que obligar a que flujo magntico pierda su carcter

senoidal.

Figura 20: Deformacin del flujo magntico para corrientes senoidales ([FRAI03]).


Si se parte de una io senoidal y teniendo presente el carcter no lineal de la curva de

magnetizacin, dar lugar a un flujo no senoidal en cada uno de los ncleos del banco

de transformadores. La nueva onda de flujo puede descomponerse en una

fundamental ms un tercer armnico y al no ser senoidales los flujos, tampoco lo sern

las f.e.m.s. inducidas en los secundarios.

En definitiva, en un banco trifsico estrella-estrella sin neutro aparecen

sobretensiones en las tensiones simples debido a la presencia de componentes de tercer

armnico, lo que puede resultar perjudicial para la vida de los aislantes y puede

provocar a veces grandes tensiones resonantes entre la inductancia del transformador y

la capacidad de la lnea; por esta razn los transformadores monofsicos del banco

trifsico se debe proyectar con inducciones bajas (por debajo del codo de saturacin), lo

que supone un encarecimiento de los mismo.

2.4.2.2 Transformadores con Ncleo Magntico Trifsico

Si se sigue suponiendo que las conexiones de los arrollamientos de los

arrollamientos son en estrella y que no se dispone de neutro en la lnea de alimentacin

del primario, no circularn las componentes de tercer armnico de la corriente de

excitacin.

Si el ncleo es trifsico, la diferencia respecto al caso anterior e que se ha suprimido

la cuarta columna de retorno. La suma de flujos sigue siendo nula en lo que se refiere a

los flujos fundamentales, pero no en lo que concierne a las componentes de tercer

armnico de los flujos, que pulsan a un tiempo (estn en fase). Estos flujos tienden a

retornar por la cuarta columna pero esta es el aire, lo que significa que los circuitos

magnticos, para las componentes de tercer armnico, tienen gran reluctancia. Por

tanto, apenas existirn terceros armnicos en los flujos, y los que dbilmente subsistan

retornarn por el aire (en parte cerrndose por la caja del transformador).

Resumiendo, la falta de neutro en la lnea de alimentacin del primario impide la

circulacin de componentes de tercer armnico de la corriente de excitacin y la

carencia de la cuarta columna es un obstculo para la existencia de componentes de

tercer armnico del flujo.


Aparentemente es un hecho paradjico. En los bancos trifsicos la corriente de

excitacin y el flujo estn relacionados segn la Figura 20, lo que significa que si la

corriente no tiene componente de tercer armnico lo tiene el flujo, o viceversa. En los

ncleos trifsicos carecen de componentes de terceros armnicos tanto las corrientes de

excitacin como los flujos, esto se debe a que si se elimina la cuarta columna el circuito

magntico adquiere una caracterstica lineal (reluctancia del aire), por lo tanto, ya no es

vlida la Figura 20.

La consecuencia prctica es que las tensiones simples del secundario no presentan

componentes de tercer armnico de gran consideracin, aun cuando se proyecte el

transformador para trabajo en la zona de saturacin.

2.4.3 Conexin de los Transformadores Trifsicos y Desfases

2.4.3.1 Desfases

Los transformadores trifsicos tienen segn su constitucin unas u otras

propiedades. Estas dependen de las conexiones del primario y del secundario, y

tambin de la naturaleza de los circuitos magnticos. Anteriormente se han estudiado

las conexiones estrella-estrella (con ncleo trifsico o no) y existen otras conexiones.

Los desfases son la diferencia de fase entre las tensiones primarias y las

correspondientes secundarias. Cuando se habla de desfases siempre se entiende en

vaco, haciendo caso omiso de las cadas internas del transformador, que aparecen en

los regmenes de carga,

2.4.3.1.1 Designaciones de Polos y Bornes

Se dice que dos extremos de arrollamientos de una misma columna tienen igual

polaridad si simultneamente poseen potenciales positivos (o negativos) en relacin

con los opuestos.

En la primera columna, dos extremos con la misma polaridad se designarn por A-a,

y los opuestos (tambin de igual polaridad entre s) por A-a. Anlogamente se

procede con el resto de columnas a base de las letras B y C.


Figura 21: Designacin de polos y bornes de un transformador trifsico ([FRAI03]).

La recomendacin CEI 76 especifica que mirando el transformador desde el lado de

alta tensin, el orden y designacin de bornes ser:

Baja tensin n a B c

Alta tensin N A B C

Tabla 5: Disposicin y designacin de los bornes de un transformador segn la recomendacin CEI 76.

A los bornes con la misma letra se les denomina homlogos. Pueden conectarse a

bornes homlogos extremos de arrollamiento de igual polaridad o de polaridad

opuesta.

Figura 22: Tipos de conexin de transformadores trifsicos ([FRAI03]).

Los conceptos homlogos e igual polaridad no son equivalentes, los bornes

homlogos de polaridades contrarias se designan con la misma letra y con una tilde.


2.4.3.2 ndice de Desfase y Smbolos de Conexin

La Norma CEI 76 establece que la conexin en estrella, tringulo o zigzag de un

conjunto de arrollamientos de fase de un transformador trifsico o de los

arrollamientos de la misma tensin de transformadores monofsicos que constituyen

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