Nuestro mundo industrial necesita cientos de miles de megavatios de electricidad cada día. Electricidad que no puede producirse in situ y para la que se necesita un sistema que transfiera esa electricidad desde las unidades de producción a las miles de industrias que la necesitan. Aquí es donde trabajan nuestros transformadores eléctricos para regular la electricidad.
El diseño del transformador de alta tensión es tal que puede facilitar la regulación de varios cientos de megavatios de electricidad 24 horas al día, 7 días a la semana, sin necesidad de mantenimiento regular. Hoy vamos a explicar todos y cada uno de los aspectos del diseño del transformador de alta tensión para que pueda tener una comprensión muy profunda de estos transformadores.
¿Qué es un transformador de alta tensión?
Los transformadores de alta tensión son como cualquier otro transformador con una diferencia básica y es la potencia que regulan. El transformador de alta tensión es un tipo de transformador que regula una potencia eléctrica superior a 35 kV y una capacidad superior a 10 MVA.
Estos transformadores de alta tensión se utilizan mucho en la transmisión de energía, donde se encargan de elevar la potencia de las estaciones de la red y reducirla en la red local, antes de distribuirla a las instalaciones de los consumidores locales.
También se utilizan en grandes industrias que tienen un consumo de energía muy elevado y necesitan un transformador de alta tensión específico para trabajar sin problemas. Entre estas industrias se incluyen plantas de fabricación, plantas de fundición de acero o hierro o laboratorios de ensayo que prueban distintos equipos o entornos de alta tensión.
Debido a una regulación de potencia tan elevada, en estos transformadores no se pueden utilizar piezas ni materiales corrientes. Por eso, el diseño de los transformadores de alta tensión es de vanguardia y los materiales utilizados son realmente únicos.
Principios clave del diseño de transformadores de alta tensión
1. Diseño del núcleo
El núcleo del transformador es una de las partes más importantes de un transformador. Se encarga de transferir el flujo magnético entre los devanados del transformador. En el diseño de transformadores de alta tensión, el diseño del núcleo del transformador y el material del núcleo son los dos factores cruciales.
Como los transformadores de alta tensión trabajan con megavatios de potencia, las pérdidas en el núcleo asociadas a un núcleo de transformador normal serán enormes. Por eso se utilizan diseños de núcleo especiales, como los toroidales y los laminados. La selección del diseño también depende en gran medida de la aplicación y de las limitaciones de espacio.
Un núcleo de transformador normal se fabrica con acero al silicio o metales amorfos, pero los materiales de baja calidad no son capaces de resistir el calor y transferir el flujo magnético de forma eficaz. Por este motivo, en el diseño de núcleos de transformadores de alta tensión sólo se utiliza acero al silicio de alta calidad, especialmente acero eléctrico de grano orientado. Algunos grados comunes son M3, M4, M5, M6 con especificaciones de las normas ASTM A677 o IEC 60404.
Otro material avanzado utilizado en los núcleos de los transformadores son las aleaciones de metales amorfos. Entre ellas se encuentran Metglas 2605SA1 e Hitachi Finemet. Estas aleaciones tienen una estructura no cristalina y ofrecen unas pérdidas en el núcleo excepcionalmente bajas. Esto se debe a su alta resistividad y a sus finas laminaciones, normalmente de 25 a 50 micras de grosor. Los metales amorfos se utilizan en transformadores de alta eficiencia en los que el ahorro de energía es una prioridad.
2.Configuración del devanado
El funcionamiento de un devanado de transformador normal y de alta tensión es el mismo. Ambos funcionan para aumentar o reducir la tensión de entrada. Ambos devanados utilizan cobre puro al 99.99% como material. La diferencia radica en la tensión que maneja cada transformador.
Un transformador de alta tensión maneja básicamente miles de tornillos, por lo que necesita una técnica y un material de aislamiento especiales. Entre las distintas capas del devanado se utilizan materiales aislantes avanzados y de calidad, como películas de poliimida, Nomax y poliéster.
Las películas de poliimida como Kapton se utilizan por su excepcional estabilidad térmica y resistencia dieléctrica. Esta película puede soportar temperaturas de hasta 250°C. También son resistentes a la humedad y a la exposición química. Esto las hace ideales para transformadores de diseño compacto.
Del mismo modo, el Nomex se utiliza en aplicaciones en las que la estabilidad térmica y eléctrica son primordiales. Con una resistencia térmica de hasta 220°C, ofrece una excelente resistencia mecánica y una baja absorción de humedad. Esto lo hace adecuado para el aislamiento de capas y la envoltura de conductores.
3.Sistemas de aislamiento
Es necesario aislar el conjunto completo de núcleo y devanado del transformador de alta tensión de factores ambientales externos como la humedad y el polvo. En los transformadores de tamaño normal se utilizan sistemas basados en aceite y resinas epoxi para aislar el devanado del transformador del entorno exterior.
Los mismos sistemas a base de aceite y a base de epoxi pueden utilizarse para aislar devanados de transformadores de alta tensión, pero el aceite o el epoxi utilizados en transformadores normales no pueden utilizarse en estos transformadores.
Aparte del uso de sistemas aislantes específicos, el espaciado y la estratificación adecuados son fundamentales para soportar las tensiones de alta tensión.
4.Mecanismos de refrigeración
Es necesario refrigerar el conjunto completo de núcleo y devanado del transformador de alta tensión, ya que se produce mucho calor durante la regulación de una tensión extremadamente alta. Debido al inmenso calor que se produce durante la regulación de alta tensión, en el diseño de transformadores de alta tensión se utiliza un mecanismo de refrigeración basado en un intercambiador de calor específico.
Estos sistemas son básicamente sistemas basados en aceite, pero a diferencia de los sistemas convencionales en los que el núcleo y el devanado se mantienen sumergidos en aceite dentro del tanque del transformador, este sistema fuerza la circulación del aceite a través de un intercambiador de calor.
El aceite absorbe el calor del núcleo y el bobinado del transformador. A continuación, la bomba de aceite fuerza al aceite a pasar por el intercambiador de calor de diseño especializado. A continuación, el calor del aceite se elimina mediante un flujo de aire forzado o un sistema de refrigeración específico basado en refrigerante.
A continuación, el aceite enfriado se traslada de nuevo al depósito del transformador, donde se trabaja para absorber el calor del núcleo y el devanado.
Leer más: ¿Cómo se mantiene un transformador lleno de aceite?
Consideraciones sobre el diseño de transformadores de alta tensión
1. Frecuencia de funcionamiento
Cada transformador puede manejar una gama de frecuencias a las que se suministra y transmite electricidad. La frecuencia de funcionamiento tiene una relación inversa con el tamaño y la eficiencia del núcleo.
Cuanto mayor es la frecuencia de funcionamiento del transformador, menor puede ser el tamaño del núcleo, con lo que se consigue una mayor eficiencia. Esto tiene un efecto secundario: el núcleo más pequeño se calienta más rápido que el de mayor tamaño y, por tanto, plantea problemas de aislamiento debido al aumento del estrés térmico.
Por eso, a la hora de diseñar un transformador de alta tensión, es importante conocer la potencia nominal y la frecuencia a la que se transmitirá la energía, así como los problemas de aislamiento que puedan surgir.
2. Requisitos de carga
Cada transformador de alta tensión está diseñado para regular un rango de tensión y, en ese sentido, tiene una tensión de funcionamiento y una tensión máxima de funcionamiento. La tensión de servicio es aquella a la que el transformador funciona la mayor parte del tiempo y la tensión máxima de servicio es aquella por encima de la cual no se garantiza el funcionamiento seguro del transformador.
Cuando se trabaja en el diseño del transformador de alta tensión, es importante conocer los perfiles de carga específicos necesarios sin que se produzca un sobrecalentamiento o se reduzca la eficiencia del transformador. Los factores de carga también determinan la clasificación térmica del aparato. La clasificación térmica es la temperatura que el aislamiento, el aceite y los sistemas de refrigeración del transformador pueden resistir con seguridad.
3. Normas y reglamentos de seguridad
Otro factor importante a tener en cuenta para el diseño de transformadores de alta tensión son las normas y reglamentos de seguridad relacionados. Es importante cumplir las normas internacionales, como IEC 60076 y ANSI/IEEE C57 para garantizar la seguridad, la fiabilidad y el cumplimiento de las normas medioambientales.
Retos en el diseño de transformadores de alta tensión
El diseño de transformadores de alta tensión plantea sus propios retos. En función del tamaño y la potencia nominal de estos transformadores, a continuación se indican tres retos principales del diseño de transformadores de alta tensión.
- Los transformadores de alta tensión transportan regularmente megavatios de electricidad a través de sus deva El resultado es una tensión muy alta que puede provocar un fallo prematuro del aislamiento. Por eso es necesario utilizar únicamente aislamientos de muy alta calidad y realizar inspecciones o mantenimientos periódicos.
- Regular megavatios de electricidad produce mucho calor residual que puede causar problemas en la gestión térmica de los transformadores. Hay que tener cuidado durante la fase de diseño e inspección para gestionar el calor generado bajo carga y evitar puntos calientes.
- Las fuerzas electromagnéticas producidas debido a los altos flujos de corriente en el devanado del transformador pueden ser tan fuertes en los transformadores de alta tensión que pueden doblar o romper cualquier pieza metálica débil. Como estas fuerzas pueden atraer o repeler piezas metálicas, es necesario un diseño mecánico robusto para estos transformadores.
Tendencias futuras en la tecnología de transformadores de alta tensión
Material avanzado
La tensión y el calor asociados a los transformadores de alta tensión son tan elevados que necesitan materiales específicos para lograr una alta eficiencia. Por eso, para seguir avanzando e impulsar el diseño de transformadores de alta tensión, es necesario desarrollar materiales superconductores de alta temperatura. También es necesario mejorar los sistemas de aislamiento para aumentar la eficiencia y fiabilidad de estos transformadores.
Transformadores inteligentes
Uno de los mejores avances en el diseño de transformadores de alta tensión será la integración de las tecnologías IoT e IA. Esto les permitirá posibilitar la monitorización en tiempo real, el mantenimiento predictivo y una mejor gestión de la red para las compañías eléctricas y las instalaciones industriales.
Sostenibilidad
Dado que las tendencias futuras de casi todos los artículos pasan obligatoriamente por la sostenibilidad, los diseños ecológicos, como los fluidos aislantes biodegradables y la reducción del uso de materiales básicos, ganan adeptos para cumplir los objetivos medioambientales globales.
Conclusión
Los transformadores de alta tensión son indispensables para los sistemas eléctricos modernos. Garantizan la transferencia segura y eficaz de la energía. Respetando los principios de diseño, afrontando los retos y adoptando la innovación. Esta industria sigue mejorando el rendimiento y la sostenibilidad de estos dispositivos críticos.
Seguimiento
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