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Proyecto Fin de Carrera
Ingeniero Industrial
Repotenciación del sistema de alimentación del
Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión de una planta
de fabricación de transformadores de potencia
Julio Montes Rodríguez
Tutores:
Manuel Burgos Payán
José María Maza Ortega
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniero Industrial
Julio Montes Rodríguez
Tutores
Manuel Burgos Payán
José María Maza Ortega
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
Repotenciación del sistema de alimentación del
Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión de una
planta de fabricación de transformadores de potencia
Proyecto Fin de Carrera: Repotenciación del sistema de alimentación del
Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión de una planta de fabricación de
transformadores de potencia
Autor: Julio Montes Rodríguez
Tutores:
Manuel Burgos Payán
José María Maza Ortega
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los
siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2015
El secretario del tribunal
A Jesús, por su generosidad
A mis padres, por su apoyo durante estos años
A mi familia, en especial a Julio y Paula
A María, por compartir estos años y, sobre todo, por los que vendrán
AGRADECIMIENTOS
Quisiera agradecer la ayuda de mi tutor de proyecto, Manuel Burgos.
Mencionar también a los trabajadores de ABB Córdoba, por la labor que desarrollan y
el trato recibido durante mi estancia de prácticas, especialmente al personal del
Departamento de Calidad y al equipo de la Plataforma de Ensayos.
Finalmente, expresar mi especial agradecimiento a José Enrique Grijuela, gran
profesional y excelente persona, por todos los conocimientos y ayuda recibida de su
parte.
Julio Montes Rodríguez
Sevilla, 2015
ÍNDICE
1 Introducción 1
1.1 Objeto del proyecto 1
1.2 Características de los transformadores 2
1.2.1 Número de fases 4
1.2.2 Número de devanados 4
1.2.3 Forma constructivas del núcleo magnético 4
1.2.4 Aislamiento galvánico 6
1.2.5 Transformadores con características eléctricas especiales 7
1.3 Proceso de fabricación 8
1.3.1 Ingeniería de diseño 8
1.3.2 Bobinaje 9
1.3.3 Apilado y montaje 9
1.3.4 Terminación 12
1.3.5 Ensayos 13
1.3.6 Expedición 13
1.4 Ensayo de transformadores de potencia 14
1.4.1 Papel de los ensayos en el negocio de los transformadores de potencia 15
1.4.2 Normativa aplicable en los ensayos 16
1.4.3 Ensayos realizados en el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión 17
2 Instalaciones del Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión 33
2.1 Introducción 33
2.2 Instalación eléctrica 37
2.2.1 Instalación principal 37
2.2.2 Grupo electrógeno 51
2.3 Otros equipos y generadores en plataforma 52
2.3.1 Generador de impulsos 52
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
2.3.2 Transformador para ensayos de tensión soportada aplicada 53
3 Análisis de la situación actual 55
3.1 Introducción 55
3.2 Estado de conservación de los grupos de generación 55
3.3 Capacidad de ensayo del laboratorio de alta tensión 56
3.4 Conclusiones 64
4 Solución propuesta 67
4.1 Introducción 67
4.2 Especificaciones 67
4.3 Alternativas tecnológicas 69
4.3.1 Grupos motor-generador 69
4.3.2 Convertidores de frecuencia estáticos 70
4.3.3 Discusión comparativa 74
4.4 Definición 78
4.5 Implantación 85
4.6 Planificación 88
4.6.1 Fase 0 90
4.6.2 Fase 1 91
4.6.3 Fase 2 93
4.6.4 Fase 3 95
4.6.5 Fase 4 97
5 Valoración económica 99
6 Conclusiones finales 101
Bibliografía 103
Anexo: Esquemas y planos 107
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Ensayo de cortocircuito IEEE a transformador trifásico, informe. 21
Tabla 2: Ensayo de vacío IEC a transformador monofásico, informe. 24
Tabla 3: Ensayo de tensión soportada aplicada IEEE a transformador trifásico,
informe. 26
Tabla 4: Ensayo de tensión soportada inducida IEC con medida de DP a
transformador monofásico, informe. 29
Tabla 5: Centro de transformación, características 40
Tabla 6: Transformador de ensayos principal, características. 41
Tabla 7: Transformador de ensayos secundario, características. 43
Tabla 8: Batería de condensadores, características. 44
Tabla 9: Grupo generador-motor 1, características. 48
Tabla 10: Grupo generador-motor 2, características. 49
Tabla 11: Grupo generador-motor 3, características 50
Tabla 12: Grupo electrógeno, características. 51
Tabla 13: Estimación de potencia para el ensayo de vacío. 59
Tabla 14: Características de la alimentación para el ensayo de vacío. 60
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Tabla 15: Estimación de potencia para el ensayo de calentamiento. 62
Tabla 16: Características de la alimentación para el ensayo de calentamiento. 63
Tabla 17: Capacidad requerida para la alimentación. 65
Tabla 18: Capacidad actual de la alimentación. 65
Tabla 19: Características requeridas para la alimentación. 68
Tabla 20: Comparación entre grupos motor-generador y convertidores estáticos
de frecuencia. 77
Tabla 21: Características del módulo inversor ACS800-107LC-1590-7 [18]. 83
Tabla 22: Características del módulo rectificador ACS800-307LC-2150-7 [18]. 84
Tabla 23: Características del transformador de alimentación. 85
Tabla 24: Características del transformador de salida. 85
Tabla 25: Planificación, general. 89
Tabla 26: Planificación, Fase 0. 91
Tabla 27: Planificación, Fase 1. 92
Tabla 28: Planificación, Fase 2. 94
Tabla 29: Planificación, Fase 3. 96
Tabla 30: Planificación, Fase 4. 98
Tabla 31: Valoración económica. 100
ÍNDICE DE FIGURAS
Ilustración 1: Núcleo magnético de forma constructiva tipo columnas [1]. 5
Ilustración 2: Núcleo magnético de forma constructiva tipo acorazado [1]. 6
Ilustración 3: Circuito equivalente monofásico de un autotransformador [4]. 7
Ilustración 4: Apilado de bobinas de un transformador acorazado [5]. 9
Ilustración 5: Núcleo tipo columnas montado con vigas de apriete [6]. 10
Ilustración 6: Apilado del núcleo de un transformador acorazado [5]. 10
Ilustración 7: Montaje de bobinas y núcleo tipo columnas en la cuba [6]. 11
Ilustración 8: Vista explosionada de un transformador acorazado [5]. 11
Ilustración 9: Transformador de columnas [6]. 12
Ilustración 10: Transformador acorazado [6]. 13
Ilustración 11: Realización de ensayos previos a la puesta en marcha. 14
Ilustración 12: Ensayo de medición de la impedancia de cortocircuito y de las
pérdidas debidas a la carga. 19
Ilustración 13: Ensayo de medida medición de las pérdidas y corriente de vacío. 22
Ilustración 14: Ensayo de tensión soportada aplicada con corriente alterna. 25
Ilustración 15: Sección transversal de una borna capacitiva [14]. 27
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Ilustración 16: Ensayo de tensión soportada inducida con medida de descargas
parciales. 28
Ilustración 17: Dependencias pertenecientes al Laboratorio de Ensayos en Alta
Tensión. 33
Ilustración 18: Transformador instalado en el área de ensayos [5]. 34
Ilustración 19: Sala de control. 35
Ilustración 20: Baterías de condensadores. 35
Ilustración 21: Distribución de equipos en sala de máquinas. 36
Ilustración 22: Sala de máquinas. 37
Ilustración 23: Esquema eléctrico de la instalación principal. 38
Ilustración 24: Celdas del embarrado principal. 39
Ilustración 25: Transformador de ensayos principal. 41
Ilustración 26: Batería de condensadores. 44
Ilustración 27: Grupos generador-motor 1 y 2. 45
Ilustración 28: Excitación de grupos motor-generador. 46
Ilustración 29: Generador de impulsos [16]. 53
Ilustración 30: Forma de onda tipo de la corriente de vacío [17]. 58
Ilustración 31: Excitación grupo motor-generador con fuentes regulables. 70
Ilustración 32: Rectificador no controlado de seis pulsos. 71
AGRADECIMIENTOS
Ilustración 33: Rectificador no controlado de doce pulsos. 72
Ilustración 34: Convertidor estático de frecuencia. 74
Ilustración 35: Convertidor de frecuencia estático ACS800[18]. 79
Ilustración 36: Diagrama de bloques, unidad de generación. 81
Ilustración 37: Diagrama de bloques, convertidor de frecuencia estático. 81
Ilustración 38: Vista frontal, unidad de generación. 81
Ilustración 39: Esquema de conexión instalación eléctrica actual. 86
Ilustración 40: Esquema de conexión instalación eléctrica tras las actuaciones. 87
Ilustración 41: Emplazamiento unidades de generación en sala de máquinas. 87
Ilustración 42: Planificación, diagrama Gantt comprimido. 90
Ilustración 43: Planificación, diagrama Gantt Fase 0. 91
Ilustración 44: Planificación, diagrama Gantt Fase 1. 92
Ilustración 45: Planificación, diagrama Gantt Fase 2. 95
Ilustración 46: Planificación, diagrama Gantt Fase 3. 97
Ilustración 47: Planificación, diagrama Gantt Fase 4. 98
1
1 INTRODUCCIÓN
1.1 Objeto del proyecto
El ámbito en el que se desarrolla este proyecto es el de una planta de producción de
transformadores de potencia. La actividad de la misma abarca todo el proceso desde el
diseño hasta la realización de los ensayos finales de calidad. Los transformadores
producidos en la fábrica son de gran potencia con altas tensiones e intensidades
nominales.
De manera más concreta, este proyecto se centra en el Laboratorio de Ensayos en Alta
Tensión de la planta.
Los objetivos de este proyecto son:
Analizar las limitaciones y problemas que presenta en la actualidad el
Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión.
Definir cuáles son las prestaciones necesarias del Laboratorio de
Ensayos en base a los transformadores que se prevé ensayar en el futuro.
Analizar cuáles son las distintas alternativas disponibles para dar
solución a las limitaciones y problemas presentes en la actualidad.
Definir las características de la solución escogida en base a tecnologías
empleadas, variables del sistema y configuraciones; así como otros
aspectos necesarios para su integración y puesta en marcha.
Valorar económicamente el proyecto.
Todos estos objetivos se alcanzarán teniendo en cuenta diversos aspectos,
principalmente:
Aspectos propios del negocio de los transformadores de potencia.
Las particularidades de la fábrica y las máquinas que en ella se
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
2
producen.
La normativa relativa a esta actividad, en especial las normas publicadas
por Institute of Elechtrical and Electronics Engineers (IEEE),
International Electrical Comission (IEC) y su traducción oficial al
castellano por AENOR en las normas UNE.
El estado actual y los conocimientos adquiridos en la práctica de los
ensayos de transformadores de potencia.
La integración de la solución desarrollada con las instalaciones y
equipos ya presentes en el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión.
1.2 Características de los transformadores
La actividad de la fábrica se desarrolla en torno a la producción de grandes
transformadores de potencia.
Todos los transformadores se producen bajo pedido. Los clientes realizan encargos de
un número determinado de unidades, abarcando desde una única unidad hasta series
de varias unidades. Cada encargo se hace con unos criterios específicos, llevándose a
cabo un diseño particularizado para cada proyecto. Esto hace que los transformadores
producidos dentro de distintos proyectos puedan tener características muy dispares.
El perfil del cliente tipo es bastante definido. Las empresas que realizan encargos a la
fábrica son habitualmente empresas del sector eléctrico y de sectores industriales con
un uso intensivo de energía eléctrica. Esto caracteriza las características tipo de los
transformadores que se producen. En general, el perfil del transformador tipo, suele
encajar con el siguiente:
Transformador trifásico o banco trifásico de transformadores
monofásicos.
De gran potencia, pudiendo alcanzar hasta 1 GVA en unidades trifásicas
y 600 MVA en monofásicas.
Con tensiones nominales elevadas, siendo habituales la fabricación de
INTRODUCCIÓN
3
transformadores destinados a la red de transporte y transformadores de
generadores para grandes centrales eléctricas.
Aislamiento en baño de aceite con depósito de expansión.
Refrigeración externa forzada.
Aislamiento de terminales de alta tensión con bornas capacitivas
cerámicas o poliméricas.
Avanzado nivel de sistemas de control y monitorización de variables de
la máquina.
Los transformadores se pueden clasificar atendiendo a distintos aspectos, en el caso
concreto de los transformadores de potencia dentro del ámbito de este proyecto, los
más relevantes podrían ser el número de fases, la forma constructiva del núcleo, la
tipología de los devanados, además del resto de características eléctricas.
Según el número de fases:
Transformadores monofásicos
Transformadores trifásicos
Según el número de devanados:
Dos devanados
Tres devanados
Según la forma constructiva del núcleo:
Transformadores de columnas
▪ Transformadores de tres columnas
▪ Transformadores de cinco columnas
Transformadores acorazados.
Según si tienen aislamiento galvánico entre devanados o no:
Transformadores
Autotransformadores
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
4
Con características eléctricas especiales:
Transformadores desfasadores
1.2.1 Número de fases
La producción está formada tanto por transformadores trifásicos como por
monofásicos destinados a funcionar en banco trifásico. En el primer caso, es posible
encontrar potencias de entorno a 1 GVA, en el segundo, de 600 MVA, sumando en
banco trifásico un total de 1,8 GVA.
1.2.2 Número de devanados
Es bastante común que los transformadores producidos dispongan de un tercer
devanado. Este devanado se destina normalmente a la conexión de equipos para
compensación de reactiva o a alimentación de servicios auxiliares. Este devanado
suele ser de una potencia bastante inferior en relación con los devanados primario y
secundario.
1.2.3 Forma constructivas del núcleo magnético
Existen dos formas constructivas fundamentales del núcleo magnético, por un lado los
núcleos tipo columnas y por otro los tipo acorazado. Ambas formas tienen
repercusión en las características del transformador, influyendo en las dimensiones de
la máquina, las propiedades magnéticas, las propiedades eléctricas y el coste de la
misma.
Los núcleos de tipo columna constan de tres columnas en disposición vertical, dos en
el caso de los monofásicos, alrededor de las cuales se disponen de manera axial los
devanados. El núcleo magnético queda cerrado en la parte inferior por la culata y en la
INTRODUCCIÓN
5
parte superior por el yugo. Los devanados, aunque existen diferentes maneras de
construirlos a nivel de conexiones eléctricas y agrupación, tienen forma de bobinas
cilíndricas. Se puede distinguir de estos núcleos de tres columnas los de cinco, que
disponen de dos adicionales, libre de devanados, de manera que permiten un camino
magnético de cierre entre culata y yugo. En la Ilustración 1 puede observarse la
geometría de la forma constructiva tipo columnas.
Ilustración 1: Núcleo magnético de forma constructiva tipo columnas [1].
En el caso de los transformadores acorazados los núcleos se disponen en el plano
horizontal alineados de manera coaxial. En este caso los devanados, a diferencia de
los tipos columna, se construyen apilando una serie de bobinas construidas de manera
plana. Estas bobinas se asemejan en forma a una “galleta”, ya que el conductor se
arrolla en forma de espiral en un único plano, dando lugar a un diámetro mucho
mayor que la altura. Estas bobinas se van apilando, intercalando las distintas fases y
devanados separados por aislantes y pantallas electromagnéticas. Posteriormente se
conectan entre sí las que correspondan a las mismas fases.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
6
Ilustración 2: Núcleo magnético de forma constructiva tipo acorazado [1].
De manera simplificada, en los transformadores tipo columnas, los devanados
envuelven al núcleo y en los transformadores tipo acorazado es el núcleo el que
envuelve a los devanados [1].
En el aspecto mecánico, la construcción como acorazado, reduce las dimensiones de
transporte y le aporta robustez frente a vibraciones e impactos, ya que el núcleo
envuelve a los devanados [2]. La construcción como acorazado permite una mayor
versatilidad a la hora de escoger las características del transformador [3].
En cuanto al plano económico, el núcleo de un transformador acorazado requiere una
mayor cantidad de chapa magnética que un transformador equivalente de columnas
para ser construido, lo que da lugar a un coste superior.
1.2.4 Aislamiento galvánico
La ausencia de aislamiento galvánico es lo que distingue a un autotransformador de
un transformador convencional. Los autotransformadores son transformadores
diseñados para funcionar con continuidad eléctrica entre los devanados que se realiza
internamente. Con esta conexión se consigue una mayor potencia nominal con un
empleo similar de chapa magnética y conductor. Como contrapartida se pierde el
aislamiento galvánico entre los devanados. En la siguiente figura se tiene el circuito
INTRODUCCIÓN
7
monofásico equivalente de un autotransformador, dónde puede apreciarse como
ambos devanados tienen parte en común dando lugar a continuidad eléctrica entre
ambos lados del autotransformador.
Ilustración 3: Circuito equivalente monofásico de un autotransformador [4].
De manera general, se suele hacer referencia como transformadores tanto a los
transformadores como a los autotransformadores.
1.2.5 Transformadores con características eléctricas especiales
Dentro de este grupo cabe destacar los transformadores desfasadores.
Un transformador desfasador es un transformador en el que el desfase angular entre el
sistema de tensiones primario y secundario se puede variar dentro de un margen de
regulación alrededor del índice horario. El índice horario es el desfase entre ambos
sistemas que viene determinado por el grupo de conexión de manera fija en el caso de
un transformador trifásico convencional.
Esta regulación del desfase entre ambos sistemas de tensiones permite actuar sobre el
flujo de potencia a través del transformador. La capacidad de regulación de la
potencia en un transformador desfasador tiene dos utilidades claras cuando a través
del mismo se conectan dos sistemas de potencia [1]:
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
8
Regulando el flujo de potencia entre ambos sistemas en el caso de que
solo se conecten mediante el transformador desfasador.
Evitando que se produzcan recirculaciones de potencia entre los distintos
transformadores instalados en paralelo.
El retraso u adelanto del sistema de tensiones se produce mediante la acción de una
reactancia serie regulable, este efecto se puede conseguir a través de distintas
configuraciones.
1.3 Proceso de fabricación
El proceso de fabricación se lleva en su totalidad en la fábrica. El montaje se lleva a
cabo de manera lineal. Aunque cada unidad sea diseñada en detalle individualmente y
necesite de una planificación individual de todo el proceso, pasa de una manera u otra
por una serie de etapas o áreas de montaje comunes a todas ellas. Estas etapas son
prácticamente las mismas, salvo en lo relativo al núcleo y las bobinas, que varían
según la forma constructiva del núcleo.
1.3.1 Ingeniería de diseño
En base a los requerimientos del cliente se realiza el diseño en detalle del
transformador. También se diseña el protocolo o plan de ensayos, es decir, los
ensayos a realizar, sus condiciones de realización y las garantías o compromisos
contraídos en relación a los resultados. Todo el trabajo se enmarca dentro de una
planificación que abarca desde la contratación hasta la instalación de la máquina en su
ubicación final.
INTRODUCCIÓN
9
1.3.2 Bobinaje
Esta área es la encargada de construir las bobinas. Las bobinas se arrollan sobre un
husillo de madera. En el caso de los transformadores de columna, las bobinas se
construyen de una pieza. Sin embargo, para el caso de transformadores acorazados se
construyen las distintas galletas que se almacenarán de manera separada. Este proceso
se puede observar en la Ilustración 4.
Ilustración 4: Apilado de bobinas de un transformador acorazado [5].
Las bobinas producidas en esta fase se almacenan hasta ser montadas en un ambiente
de humedad controlada para evitar su deterioro ya que el material aislante, cartón y
papel, tiene tendencia a absorber la humedad ambiente perjudicando sus cualidades.
1.3.3 Apilado y montaje
En esta etapa se construye el núcleo del transformador. Éste se forma mediante el
apilado de chapa magnética. Los núcleos se montan en zonas separadas según sean de
columnas o acorazados.
Los tipos columna se montan en su posición definitiva, con las columnas en vertical.
Una vez que quedan montadas la culata y las columnas se calan las bobinas que
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
10
conforman las distintas fases. Una vez hecho esto se pasa a apilar chapa para formar
el yugo y montar las vigas de apriete que dan solidez al conjunto, el resultado puede
verse en la Ilustración 5.
Ilustración 5: Núcleo tipo columnas montado con vigas de apriete [6].
Las cubas de los transformadores acorazados se dividen en tres piezas, una inferior
que hace las veces de fondo, una intermedia que está abierta en su parte inferior y
superior y una parte superior que hace de tapa. Las bobinas de los transformadores
acorazados se montan en la pieza inferior de la cuba. En esa posición se apila la chapa
del circuito magnético, como puede verse en la Ilustración 6.
Ilustración 6: Apilado del núcleo de un transformador acorazado [5].
INTRODUCCIÓN
11
Una vez se acaba de montar el núcleo con las bobinas, se realizan las conexiones
internas de los devanados, tras esto se inserta todo el conjunto en la cuba, como puede
observarse en la Ilustración 7.
Ilustración 7: Montaje de bobinas y núcleo tipo columnas en la cuba [6].
De la misma manera, en el caso de los transformadores acorazados, una vez que se ha
terminado de construir el núcleo y se han realizado todas las conexiones internas, se
colocan el resto de piezas que forman la cuba como puede verse en la Ilustración 8.
Ilustración 8: Vista explosionada de un transformador acorazado [5].
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
12
1.3.4 Terminación
En esta área se lleva a cabo el resto de operaciones que son necesarias de realizar
antes de que el transformador pase al Laboratorio de Ensayos. Algunas de estas son:
montaje y conexión de los cuadros de protección y control, montaje del sistema de
refrigeración, montaje de la tapa y las bornas… En esta etapa también se realiza una
inspección general del transformador para comprobar que todos los elementos están
montados correctamente. Finalmente se rellena el transformador con aceite dieléctrico
antes de pasar al Laboratorio de Ensayos. En la Ilustración 9 y la Ilustración 10 puede
verse el aspecto exterior que presentan los transformadores tipo columnas y
acorazados al finalizar esta etapa.
Ilustración 9: Transformador de columnas [6].
INTRODUCCIÓN
13
Ilustración 10: Transformador acorazado [6].
1.3.5 Ensayos
La mayor parte de ensayos se realizan en el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión.
En los siguientes apartados se profundizará en los ensayos que se realizan en el
mismo.
1.3.6 Expedición
En esta área se prepara el transformador para el transporte, realizándose las tareas
necesarias previas al transporte. Entre otras, se realizan las tareas de vaciar el aceite
dieléctrico, retirar los elementos que aumentan el galibo o que pueden dañarse como
durante el transporte, por ejemplo las cabinas, el sistema de refrigeración, las
bornas… Previo al transporte se llena el transformador con presión positiva de aire
seco para evitar que entre humedad exterior.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
14
1.4 Ensayo de transformadores de potencia
A lo largo de su vida útil, un transformador es sometido a diversos ensayos. Gran
parte de ellos comienzan durante el proceso de fabricación, sucediéndose en distintos
momentos hasta la puesta en marcha una vez instalado en su lugar definitivo. Entre de
las razones más comunes por las que se realizan ensayos a transformadores[7] se
pueden encontrar:
Cumplimiento de las especificaciones del usuario.
Aseguramiento de la calidad.
Verificación del diseño.
Cumplimiento con las normas industriales
El grupo de ensayos con más importancia es el que se realiza sobre los
transformadores una vez montados y rellenos de aceite en el Laboratorio de Ensayos
en Alta Tensión. Este grupo de ensayos no sólo es el más importante en cuanto a
aspectos de verificación y control de la calidad, sino también por el número y tipo de
ensayos, riesgos que implican y tiempo empleado en los mismos.
En la Ilustración 11 se observa un esquema de los momentos más importantes en los
que se realizan ensayos y los objetivos principales de los mismos.
Ilustración 11: Realización de ensayos previos a la puesta en marcha.
Apilado y montaje
•Circuito magnético
•Circuito eléctrico
Terminación
•Varios
•Conexiones bornas
Laboratorio de Ensayos
•Mayoría
•Protocolo de ensayos
En destino
•Daños durante el transporte
INTRODUCCIÓN
15
1.4.1 Papel de los ensayos en el negocio de los transformadores de potencia
El plan de ensayos se conforma junto al cliente durante la contratación. En él se
definen los ensayos a los que se someterán los transformadores, estableciendo las
normas por la que se deberán regir y las condiciones que se deberán mantener durante
los mismos. Además se marcan el valor de determinadas características que el
transformador deberá cumplir, habiendo de ser garantizados por parte del fabricante.
Los ensayos constituyen un medio objetivo para conocer las características reales del
transformador. Sus resultados permiten juzgar la calidad y verificar el buen estado del
mismo, permitiendo detectar posibles defectos ya sea en materiales o en la
fabricación.
Desde el punto de vista del cliente, son un medio esencial para verificar el
cumplimiento de las especificaciones solicitadas. Para el cliente es necesario que el
transformador cumpla con diversas normativas, ya sea de carácter internacional,
estándares propios de ciertas industrias, normas impuestas por la legislación de su país
o normativas de carácter propio.
Además, son útiles para conocer información necesaria acerca de algunas
características, como pueden ser valores de impedancias de cortocircuito, impedancias
homopolares, valores de capacidad o curvas de respuesta en frecuencia. Estas
características son de especial importancia a la hora de llevar a cabo ciertas tareas,
como previsiones de carga, configuración de protecciones, modelado de instalaciones
o diagnosis y mantenimiento futuro.
Por parte del fabricante también son un elemento de especial importancia. A través de
los resultados puede verificar el cumplimiento de su plan interno de aseguramiento de
la calidad. Además, hay que tener en cuenta la importancia de la imagen corporativa
dentro de este negocio ya que los transformadores son máquinas de un elevado coste
donde se deposita una gran responsabilidad de cara al resto de una instalación
eléctrica. Por otro lado, los resultados de los ensayos se pueden emplear como
realimentación del proceso de diseño, obteniendo información muy valiosa para
mejorar el conocimiento sobre los métodos de cálculo empleados.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
16
Finalmente, también cabe mencionar que algunos ensayos se emplean para verificar
que el transformador no ha sufrido daños durante operaciones como el transporte. Por
lo tanto, estos ensayos, como puede ser el análisis de respuesta en frecuencia, son un
elemento crucial a la hora de dirimir la responsabilidad ante un problema de este tipo,
determinando de quién corre los gastos necesarios para subsanar los daños.
1.4.2 Normativa aplicable en los ensayos
El campo de de ensayo de transformadores está altamente normalizado. Las normas
relativas a éstos definen qué ensayos son de aplicación según la máquina, bajo qué
condiciones y cuáles son los métodos de cálculo y criterios bajo los que se consideran
los resultados satisfactorios.
Las normas con mayor implantación a nivel mundial son IEE Std C57.12.00[8] y IEC
60076-1 [9]. En Europa se emplea la norma IEC 60076. De ésta, existe su versión
oficial en castellano en la norma UNE-EN 60076-1 [10].
Además de estas dos normas, en algunos países pueden existir normas nacionales.
Estas suelen consistir en adaptaciones o desarrollos basados en las normas publicadas
por IEC y IEEE.
En definitiva, las normas a aplicar en cada caso dependen del cliente o usuario final al
que va destinado el transformador según su país de procedencia.
En este estudio se ha decidido tomar como referencia principal a las normas
IEC/UNE-EN en vigor. Contemplar otras normas carece de interés, no sólo porque no
existan grandes diferencias, sino porque en la mayoría de casos solo supondrán
criterios similares o pequeñas variaciones.
Las normas IEC/UNE-EN establecen la clasificación de los distintos ensayos en tres
categorías según la obligatoriedad de llevarlos a cabo:
Ensayos individuales, conocidos también como de rutina:
INTRODUCCIÓN
17
Un ensayo que se realiza sobre cada transformador de manera individual
[10].
Ensayos de tipo:
Un ensayo que se realiza sobre un transformador que es representativo de
otros transformadores, para demostrar que estos transformadores cumplen
con las condiciones especificadas no cubiertas por los ensayos individuales:
Se considera que un transformador es representativo de otros si está
construido de acuerdo con los mismos planos, utilizando las mismas
técnicas y materiales, y en la misma fábrica [10].
Ensayos especiales:
Un ensayo diferente a un ensayo de tipo o a un ensayo individual, definido
por acuerdo entre fabricante y comprador [10].
En relación a la clasificación anterior de los ensayos en rutina, tipo y especiales, hay
que destacar que un ensayo determinado puede clasificarse de distinta manera
atendiendo a las características del transformador. Como ejemplo puede ponerse la
medida de las pérdidas y de la corriente de vacío al 90 % y al 110 % de la tensión
asignada, considerándose un ensayo tipo en caso de que la misma sea inferior a 72,5
kV e individual en caso contrario.
1.4.3 Ensayos realizados en el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión
A continuación se presenta una breve relación de algunos ensayos que se realizan en
el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión. A modo ilustrativo se han incluido una
serie de tablas para mostrar los datos que sobre los distintos ensayos se proporcionan
al cliente en el informe de ensayos. Esta descripción se ha llevado a cabo teniendo en
cuenta las características generales de los transformadores fabricados ya que algunos
aspectos varían en función de las características particulares de cada máquina. La
decisión de incluir en la relación los distintos ensayos está basada en que la
realización de los mismos implique el uso de la instalación eléctrica de alimentación
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
18
del Laboratorio en la cual se centra este proyecto.
Ensayos individuales o de rutina
Medición de la impedancia de cortocircuito y de las pérdidas debidas a la
carga
Este ensayo se considera como un ensayo de rutina por Std. C57.12.00 [8], IEC
60076-1 [9] y UNE-EN 60076-1 [10].
Con este ensayo se mide la impedancia de cortocircuito equivalente y las pérdidas en
cortocircuito asociados a cada arrollamiento.
Para realizarlo se cortocircuita uno de los arrollamientos mientras que se alimenta el
otro. La tensión de la alimentación se aumenta hasta alcanzar la intensidad nominal
del arrollamiento. En la Ilustración 12 se puede observar un esquema descriptivo de la
conexión para el ensayo de cortocircuito, en el se representa el ensayo de un
transformador estrella-triángulo, cortocircuitado en el arrollamiento en triángulo
(habitualmente lado de menor tensión), compensando parte de la potencia reactiva a
través del transformador de ensayos. También se puede ver los transformadores de
intensidad y tensión que proporcionan las señales a los instrumentos de medida
ubicados en la sala de control.
INTRODUCCIÓN
19
Ilustración 12: Ensayo de medición de la impedancia de cortocircuito y de las
pérdidas debidas a la carga.
El sistema de medida suele consistir en un vatímetro especializado para los bajos
factores de potencia que se dan en el ensayo. Este vatímetro mide el sistema de
tensiones e intensidades que le llegan desde los transformadores de medida. Con este
sistema se obtienen las tensiones, las intensidades así como la potencia activa, reactiva
y factor de potencia de cada fase.
Durante el ensayo se registra la temperatura del aceite en los puntos donde alcanza los
valores extremos, es decir, en la parte superior cercano a la tapa y en el fondo de la
cuba. Como temperatura de referencia para el ensayo se toma la media de estos
valores extremos. Para que el ensayo sea válido, las medidas de impedancia y
potencia de pérdidas deben de realizarse con el transformador en equilibrio térmico.
Como criterio de aceptación de que el transformador se encuentra en equilibrio
térmico, se establece una diferencia máxima entre la temperatura máxima y mínima
de 5 K.
Los resultados de las medidas, es decir, tensión de cortocircuito, impedancia y
pérdidas; se refieren a la temperatura de 75 ºC para las normas IEC y a 85 ºC para
normas IEEE. En caso de que las condiciones durante el ensayo difieran de las de
referencia, siempre dentro de unos márgenes de tolerancia establecidos, se emplean
fórmulas para referenciar los resultados a las temperaturas normalizadas.
Para el caso de los transformadores de tres devanados, el ensayo se realiza tres veces,
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
20
alimentando cada vez por un devanado, cortocircuitando otro y dejando en abierto el
tercero. De esta manera se obtienen los datos para cada pareja de devanados por los
que circula la corriente, permitiendo después calcular los tres valores individualmente.
Tanto la impedancia de cortocircuito como las pérdidas en carga son especificaciones
de diseño. El valor de impedancia de cortocircuito tiene especial importancia en la
operación del transformador, siendo un valor necesario de conocer para la conexión
de transformadores en paralelo o la configuración de las protecciones. La potencia de
pérdidas en carga tiene un peso muy importante en el conjunto de las pérdidas totales
siendo por tanto un valor fundamental dentro del rendimiento del transformador.
Además, para el ensayo de calentamiento es preciso conocer el valor de la potencia de
pérdidas en carga.
A continuación, en la Tabla 1, puede verse los resultados que se muestran al cliente
del ensayo entre los devanados primario y secundario para el caso de un
transformador monofásico. Entre paréntesis se muestran los valores garantizados, en
el caso de las pérdidas se acuerda un valor máximo y en el de la impedancia, al ser un
valor de diseño, se garantiza una tolerancia máxima.
INTRODUCCIÓN
21
Tabla 1: Ensayo de cortocircuito IEEE a transformador trifásico, informe.
Ensayo de cortocircuito
Conexión Medida Corrección
Toma Vnom T V I Pcc Pcc εcc
1 241,5 kV 35,5 ºC 29,3 kV 2694,0 A 1801,9 kW 1760,7 kW 12,06 %
2 235,8 kV 35,5 ºC 28,1 kV 2746,0 A 1810,7 kW 1769,5 kW 11,93 %
3 230,0 kV 35,5 ºC 27,6 kV 2818,0 A 1839,7 kW 1798,5 kW
(1799,0 kW)
11,99 %
(11,90 %)
4 224,3 kV 35,5 ºC 26,6 kV 2881,7 A 1843,5 kW 1802,3 kW 11,87 %
5 218,5 kV 35,5 ºC 25,8 kV 2953,7 A 1854,6 kW 1813,4 kW 11,83 %
Transformador trifásico
1120 MVA 60 Hz Ynd1 FOA 65 ºC
230±2×2.5 % / 18,1 kV 2811,4 A / 35726 A
Medición de las pérdidas y corriente de vacío
Se considera ensayo de rutina por Std. C57.12.90 [8], IEC 60076-1 [9] y UNE-EN
60076-1 [10]. La corriente de vacío de un transformador viene determinada por la
característica magnética del núcleo. Se descompone de manera simplificada en una
parte de potencia de pérdidas y en otra de potencia reactiva consumida por la
reactancia equivalente.
Las pérdidas se dividen en tres componentes: pérdidas en el núcleo magnético,
pérdidas dieléctricas y pérdidas resistivas en el devanado primario. La parte de mayor
importancia es la correspondiente a las pérdidas en el núcleo magnético, frente a ésta,
las dos últimas son prácticamente despreciables. Las pérdidas en el núcleo, se pueden
dividir a su vez en pérdidas debidas al ciclo de histéresis del propio núcleo y a
pérdidas por circulación de corrientes parasitarias o de Foucault.
Las pérdidas en el núcleo magnético constituyen suponen una gran cantidad de
energía a lo largo de la vida útil del transformador, siendo un valor de diseño del
mismo.
A través de este ensayo se mide el valor de la corriente y de las pérdidas en vacío del
transformado. Las normas indican que la temperatura del transformador debe de ser la
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
22
temperatura ambiente de la fábrica. La medida de intensidad y potencia se realiza
alimentando un devanado mientras que el resto de devanados se sitúan en sus tomas
medías y las bornas permanecen desconectadas. La alimentación del devanado bajo
ensayo se debe hacer en condiciones nominales de la toma escogida, es decir, a
frecuencia nominal y a la tensión correspondiente. Además, también debe realizarse el
ensayo al 90 % y 110 % de la tensión nominal [10]. En la Ilustración 13 se puede
observar el esquema de conexión durante el ensayo de medición de las pérdidas y
corriente de vacío.
Ilustración 13: Ensayo de medida medición de las pérdidas y corriente de vacío.
Las normas marcan distintos requisitos, el más importante es el referido a la calidad
de onda de tensión de la alimentación ya que el resultado de la medida de las pérdidas
se puede ver gravemente afectado por la distorsión de la onda de tensión. La
distorsión en la tensión es un factor limitante en laboratorios dedicados al ensayo de
transformadores.
La norma IEC 6076-1 [10] marcan un límite de distorsión del 3 % de la tensión a
través del factor d, calculado como:
INTRODUCCIÓN
23
Donde:
Es la tensión media durante un semiperiodo
U Es la tensión eficaz
En el caso de una onda senoidal pura, el valor de d sería igual a cero. En caso de que
el factor d supere el límite del 3 % se deja al acuerdo de cliente y fabricante la
aceptación de los resultados. El factor d se emplea también para corregir el valor
medido de pérdidas por la influencia de la distorsión de la tensión mediante la
expresión:
Donde:
Pom Es el valor de pérdidas medido
Po Es el valor de pérdidas corregido
En la norma IEE Std C57.12.90 [11] se definen su fórmula de corrección y criterios
de aceptación propios, distintos de los establecidos en IEC/UNE-EN.
En la Tabla 2 se tiene los resultados del ensayo a un transformador monofásico según
normas IEC mostrados en el informe.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
24
Tabla 2: Ensayo de vacío IEC a transformador monofásico, informe.
Ensayo de vacío
Medidas Corrección Garantía V 1,11×VAV Vrms I Pom Po I Po
110 % 23,9 kV 24,59 kV 70,74 A 269,1 kW 261,3 kW 0,24820 %
105 % 21,5 kV 22,01 kV 23,41 A 201,7 kW 196,9 kW 0,08214 %
100 % 20,1 kV 20,49 kV 12,03 A 165,4 kW 162,2 kW 0,04221 % 178,0 kW
95 % 19,0 kV 19,24 kV 8,63 A 142,0 kW 140,1 kW 0,03029 %
90 % 18,0 kV 18,13 kV 7,41 A 124,1 kW 123,0 kW 0,02600 %
Transformador monofásico
570 MVA Ynd1 50 Hz
405 / √3 ± 2,47% / 20 kV 2437,7 / 28500 A
Ensayo de tensión soportada aplicada con corriente alterna
Se trata de un ensayo individual en IEE Std C57.12.00 [8], IEC 60076-3 [12] y UNE-
EN 60076-3 [13].
Según UNE-EN 60076-3: el objeto de este ensayo es verificar la rigidez dieléctrica
con corriente alterna de los bornes de línea y de neutro, y sus arrollamientos
conectados a tierra y a otros arrollamientos [13].
UNE-EN 60076-3 [13] prescribe los niveles de tensión a aplicar durante el ensayo
según la tensión más elevada para el material del devanado de mayor tensión.
Durante el ensayo, el transformador no se magnetiza. Los terminales de cada
arrollamiento se deben cortocircuitar entre sí. El ensayo se realiza a cada
arrollamiento, aplicando la tensión de ensayo a todos los bornes del mismo mientras
que todos los bornes del resto de arrollamientos se conectan a tierra. La tensión se
debe aplicar a la frecuencia para la que está diseñado el transformador, siendo el
mínimo admisible el 80 % del valor nominal. De esta forma el ensayo de tensión
soportada aplicada con corriente alterna supone una carga monofásica para la
alimentación.
El procedimiento a seguir durante el ensayo, es aplicar durante 60 s la tensión de
ensayo. El resultado se considera satisfactorio si durante ese tiempo no se produce el
INTRODUCCIÓN
25
colapso de la tensión ni se aprecian ningún indicio de fallo, como puede ser la
aparición de ruido, humo, aumento de la corriente… Transcurrido el tiempo se
desconecta la máquina reduciendo la tensión de la manera más rápida posible.
Las pérdidas son prácticamente despreciables, produciéndose solo en el circuito de
alimentación y una parte mínima en el aislamiento dieléctrico. Al presentarse el
transformador bajo ensayo como una carga capacitiva para la alimentación, es
necesario tomar una serie de precauciones. Para evitar el riesgo de autoexcitación en
la alimentación se suele conectar reactancias de compensación que consumen la
energía reactiva generada y dispositivos para limitar las posibles sobretensiones. Un
tipo de dispositivo muy común para limitar las sobretensiones son las llamadas vías
de chispas, también conocidas por su nombre en inglés como Chopping Gaps, las
cuales son una sucesión de esferas separadas por una distancia de aire que se puede
regular con la finalidad de que al alcanzar una determinada tensión se produzca la
descarga entre las distintas esferas. En la Ilustración 14 se puede observar un esquema
simplificada del modo de conexión para la realización del ensayo de tensión aplicada,
en el se muestra el transformador de ensayos conectado en monofásico que alimenta a
su vez a un transformador elevador que aplica la tensión del ensayo. Además se
observan los puntos de conexión de la vía de chispas, para proteger descargar la
tensión en caso de que se descontrole; y el divisor capacitivo a través del cual se
realiza la medida de la tensión aplicada.
Ilustración 14: Ensayo de tensión soportada aplicada con corriente alterna.
En la Tabla 3 se tiene los datos que se proporcionan al cliente sobre el ensayo de
tensión aplicada, en el se incluyen a qué devanados se han puesto a tensión y durante
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
26
cuánto tiempo.
Tabla 3: Ensayo de tensión soportada aplicada IEEE a transformador trifásico,
informe.
Ensayo de tensión soportada aplicada
Terminales alimentados V Tiempo
H1-H2-H3-H0
Devanado de alta tensión 34 kV 60 s
X1X1’-X2X2’-X3X3’
Devanado de baja tensión 50 kV 60 s
Ensayo de tensión soportada inducida con corriente alterna
Se trata de un ensayo individual en IEE Std C57.12.00 (tensión más alta del material
superior a 115 kV) [8] IEC 60076-3 [12] y UNE-EN 60076-3 [13] (tensión más alta
del material superior a 72,5 kV en arrollamientos de aislamiento uniforme).
El objetivo del ensayo de tensión soportada inducida es someter el aislamiento, no
solo entre arrollamientos sino entre fases de un mismo arrollamiento y espiras de la
misma fase, a sobretensiones con el fin de comprobar su buen estado. La medida de
descargas parciales proporciona un método para cuantificar el estado del aislamiento,
además de proporcionar una información muy valiosa para investigar los posibles
fallos que el transformador pudiera presentar.
Existen dos variantes, de larga y de corta duración. Normalmente, el ensayo de
tensión inducida se lleva a cabo con medida de descargas parciales. Una descarga
parcial, de manera simplificada, es la aparición de un arco eléctrico en el seno del
dieléctrico, aislante o aceite, que no llega a cruzar todo el aislamiento. Las descargas
parciales están asociadas a defectos en el aislante que reducen la capacidad del mismo
o provocan efecto corona creando gradientes de campo eléctrico superiores a los
contemplados en el diseño, por ejemplo: cavidades, elementos metálicos extraños,
daños en el aislante…
La medida del nivel de descargas parciales se realiza mediante equipos diseñados para
INTRODUCCIÓN
27
medir el ruido de alta frecuencia que producen las descargas parciales. Según los
patrones de ruido presente se puede intuir el tipo de defecto y analizando la presencia
del mismo en cada fase se puede estimar su posición dentro del transformador. Los
distintos defectos posibles tienen reflejos distintos en la medida de la corriente,
distintos momentos de fase en el que se producen, polaridad, frecuencia… La medida
del nivel de descargas parciales se hace a través de las bornas capacitivas del
transformador que permiten un acoplamiento capacitivo con el conductor.
En la Ilustración 15 se puede ver el esquema de un corte transversal de una borna
capacitiva. Una borna capacitiva de aceite se compone de un aislante, típicamente
cerámico, relleno de aceite, dentro del cual se encuentra el conductor aislado
generalmente por capas de papel impregnado con pantallas electromagnéticas
intercaladas. Entre el conductor y masa se establece una capacidad equivalente a
través de las distintas pantallas. Algunas de ellas son eléctricamente accesibles desde
el exterior, proporcionando distintas tomas del divisor capacitivo que se establece
entre conductor y masa. Conectando a estas tomas el equipo de medida, se capta el
ruido electromagnético debido a las descargas parciales.
Ilustración 15: Sección transversal de una borna capacitiva [14].
El nivel de ruido de descargas parciales se mide en picoculombios, las normas marcan
unos límites aunque en la práctica se suele fijar unos niveles de garantía mediante
acuerdo entre fabricante y cliente. La medida de descargas parciales es por tanto un
Conductor
Toma
capacitiva
Aislante
cerámico
Aceite
dieléctrico
Tapa del
transformador
Pantallas
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
28
instrumento muy valioso, ya que permite no sólo detectar fallos sino que facilita su
investigación al proporcionar información acerca del tipo y su localización.
El ensayo se realiza alimentando el transformador con tensión alterna a un valor de
sobretensión determinado por las normas. El nivel de tensión que se aplica es superior
al nominal del transformador de manera que para evitar la saturación del núcleo
magnético, el ensayo se realiza a una frecuencia superior a la nominal. La frecuencia
de ensayo es típicamente del orden del triple de la nominal.
En la Ilustración 16 se tiene un esquema simplificado del ensayo con impedancias
para filtrar el ruido de alta frecuencia proveniente de la alimentación, también se
muestra la conexión a los acoplamientos capacitivos de las bornas del equipo de
medida de descargas parciales.
Ilustración 16: Ensayo de tensión soportada inducida con medida de descargas
parciales.
La tensión se aplica de manera creciente siguiendo una serie de escalones hasta llegar
a la tensión máxima del ensayo. Las normas marcan los niveles de tensión y el tiempo
al que se debe someter el transformador en cada fase. El criterio de aceptación es que
la medida de descargas parciales no supere los límites máximos ni arroje patrones que
INTRODUCCIÓN
29
puedan indicar la presencia de defectos graves. Además, la medida de las descargas
parciales no puede crecer sostenidamente. De igual manera que en el ensayo de
tensión soportada aplicada, la tensión de ensayo no debe colapsar ni presentarse en el
transformador síntomas de fallo. En la Tabla 4 se tienen los resultados mostrados al
cliente del ensayo, incluyendo el tiempo de duración del ensayo de tensión soportada
inducida y los resultados de las medidas de descargas parciales para cada tiempo y
tensión.
Tabla 4: Ensayo de tensión soportada inducida IEC con medida de DP a
transformador monofásico, informe.
Ensayo de tensión soportada inducida con medida de DP
Arrollamiento ensayado: Alta tensión 630,00 kV ( 175 %), 34 s
Medida de descargas parciales
Tiempo Tensión Descargas parciales
0 s 0,0 kV 0 % 43 pC
5 min 266,7 kV 110 % 57 pC
0 s 363,7 kV 150 % 82 pC
5 min 363,7 kV 150 % 82 pC
34s 412,2 kV 170 % 82 pC
0 s 363,7 kV 150 % 62 pC
5 min 363,7 kV 150 % 55 pC
10 min 363,7 kV 150 % 54 pC
15 min 363,7 kV 150 % 53 pC
20 min 363,7 kV 150 % 45 pC
25 min 363,7 kV 150 % 42 pC
30 min 363,7 kV 150 % 46 pC
35 min 363,7 kV 150 % 44 pC
40 min 363,7 kV 150 % 48 pC
45 min 363,7 kV 150 % 45 pC
50 min 363,7 kV 150 % 49 pC
55 min 363,7 kV 150 % 50 pC
1h 0 min 363,7 kV 150 % 49 pC
5 min 266,7 kV 110 % 47 pC
0 s 0,0 kV 0 % 46 pC
Garantía (110 %) 100 pC Garantía (60 min 150 %) 500 pC
Transformador monofásico
570 MVA Ynd1 50 Hz
405 / √3 ± 2,47% / 20 kV 2437,7 / 28500 A
Se deben mantener unas condiciones mínimas en cuanto al ruido eléctrico en la
instalación para poder apreciar las descargas parciales. Las normas suelen imponer
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
30
límites de ruido de fondo, además, se debe evitar la presencia de efecto corona,
especialmente en las bornas de mayor tensión ya que se percibe como ruido de
descargas parciales internas del transformador impidiendo la medida de las mismas.
Ensayos tipo
Ensayo de calentamiento
Es un ensayo considerado como ensayo tipo por Std C57.12.00 [8], IEC 60076- 1 [9]
y UNE-EN 60076-1 [10].
El ensayo de calentamiento tiene como objetivo verificar el correcto funcionamiento
del transformador en el aspecto térmico. El calentamiento se define como la
diferencia entre la temperatura de la parte bajo consideración y la temperatura del
medio de refrigeración externo [15]. En Las normas IEC/UNE imponen los
calentamientos admisibles para cada punto con la potencia asignada del transformador
en función del tipo de aislante.
Existen diversos métodos para llevar a cabo este ensayo pero todos tienen como
objetivo producir en el transformador las pérdidas correspondientes al funcionamiento
a plena potencia. En el caso de los transformadores de gran potencia no resulta
práctico o incluso posible hacer que el transformador entregue en el secundario la
potencia nominal ya que se necesitaría una carga con un gran consumo. Por esto, el
método que se suele emplear es el de cortocircuito. En el método de cortocircuito, la
manera de conectar los terminales secundarios es similar a la realizada para el ensayo
de medida de pérdidas en carga.
Antes de realizar el ensayo es necesario conocer el valor de las distintas pérdidas. Una
vez cortocircuitado, se alimenta a la tensión necesaria para alcanzar el valor de las
pérdidas totales, lo que se corresponde con un valor un poco superior al de la tensión
de cortocircuito. De esta manera se consigue simular el calentamiento correspondiente
a las pérdidas totales en la transferencia desde los devanados hasta el sistema de
refrigeración. De esta forma se sustituyen las pérdidas en el núcleo para reproducirlas
INTRODUCCIÓN
31
en su totalidad en el circuito eléctrico.
Las condiciones de ensayo en cuanto a temperatura ambiente y ventilación se
controlan para normalizar el funcionamiento del sistema de refrigeración durante el
ensayo.
El ensayo se realiza en dos fases que se planifican en distintos tiempos. En la primera
de ella, se calienta el transformador consumiendo la potencia equivalente a las
pérdidas totales. Esta fase se lleva a cabo durante un tiempo que depende de cada
transformador. En la segunda, se alimenta a corriente nominal. En esta fase es
necesario que se alcance el equilibrio térmico. Las normas marcan los criterios que se
deben considerar para considerar que la temperatura en el transformador se ha
estabilizado.
Durante el ensayo se recogen distintas medidas de temperatura, las más comunes son:
Temperatura del aceite en puntos significativos de la cuba y del sistema
de refrigeración; parte superior, parte inferior, radiadores superiores e
inferiores.
Puntos del aislante y del núcleo medida mediante sondas conectadas por
fibra óptica.
Finalmente, aparte de los datos de temperatura recogidos durante el ensayo, se toma
una medida de la temperatura media del conductor. Para realizarla, tras la segunda
fase, se debe desconectar la alimentación. En este momento y a la mayor brevedad
posible para que no se produzca un enfriamiento excesivo, se mide la resistencia de
los devanados. La temperatura media del cobre se mide a través de la relación de la
resistencia a en caliente y a temperatura ambiente. Esta temperatura se corrige debido
al enfriamiento que se produce en el tiempo que transcurre desde la desconexión hasta
que finaliza la medida de resistencia. Cuanto mayor es el volumen de aceite del
transformador menor variación se produce.
33
2 INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE
ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
2.1 Introducción
Para llevar a cabo los ensayos, el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión dispone de
las siguientes dependencias: área de ensayos, sala de control, zona de baterías de
condensadores y sala de máquinas. En la Ilustración 17 se puede apreciar la
distribución de las mismas:
Ilustración 17: Dependencias pertenecientes al Laboratorio de Ensayos en Alta
Tensión.
Sala de máquinas
Área de ensayos
Sala de control
Baterías de condensadores
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
34
El área de ensayos tiene unas dimensiones en planta de 40 m x 40 m y una altura hasta
la cubierta de 35 m. Está comunicada a través de dos grandes portones con el taller y
la zona de expedición. En la Ilustración 18 puede verse un transformador instalado
para ser ensayado en esta área.
Ilustración 18: Transformador instalado en el área de ensayos [5].
El resto de accesos lo constituyen dos puertas en la barrera de seguridad y una tercera
puerta que comunica con un patio que sirve de distribuidor al resto de áreas. A parte
de ser una zona de paso entre las distintas áreas del Laboratorio, por este patio pasan
las distintas canalizaciones de conductores desde la sala de máquinas y las baterías de
condensadores hasta el área de ensayos.
La sala de control, Ilustración 19, está situada junto al área de ensayos, elevada en un
primer piso. Desde la misma se puede visualizar toda el área de ensayos. En la sala
está instalada la instrumentación de medida y el puesto de control del sistema
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), desde este punto se controla
toda la instalación del Laboratorio de Ensayos y se recogen los datos en la gran
mayoría de ensayos.
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
35
Ilustración 19: Sala de control.
El patio sirve como distribuidor entre el área de ensayos, la zona de baterías y la sala
de máquinas. Tiene dos zonas diferenciadas, una, junto a la nave del área de ensayos
bajo su cubierta; el resto del área se encuentra a la intemperie y por ella discurren las
distintas canalizaciones de cables. En este patio se sitúan la cabina de seccionadores y
el transformador de ensayos secundario.
A las baterías de condensadores se accede desde el patio a través de una puerta situada
en la verja de separación. En esta zona se encuentran las baterías de condensadores y
los seccionadores que permiten conectar los distintos grupos de baterías, en la
Ilustración 20 puede verse la distribución de las mismas.
Ilustración 20: Baterías de condensadores.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
36
La sala de máquinas ocupa una nave a la que se accede también desde el patio. En
esta sala se encuentran instalados los grupos generador-motor, las celdas con las
protecciones de los mismos y algunas de las celdas del autómata integrado en el
sistema SCADA así como el transformador auxiliar que se emplea para alimentar a
todos estos servicios. En la Ilustración 21 se puede observar la distribución dentro de
la sala de máquinas de los equipos más importantes.
Ilustración 21: Distribución de equipos en sala de máquinas.
En la Ilustración 22 se puede observar parte de las celdas del embarrado del
transformador principal y los motores de los grupos generador-motor 1 y 2.
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
37
Ilustración 22: Sala de máquinas.
2.2 Instalación eléctrica
El Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión posee dos puntos de conexión de los
cuales se alimenta. Del primero, proveniente del centro de transformación propio de la
fábrica, se alimenta la instalación principal. El segundo, consiste en grupo electrógeno
propio del Laboratorio de Ensayos.
2.2.1 Instalación principal
La instalación principal se alimenta directamente desde la subestación propia de la
fábrica. En esta subestación se encuentra un transformador de 10 MVA que convierte
la tensión de acometida a 20 kV a la tensión a la que se alimenta la sala de maquinas 5
kV.
El esquema eléctrico de la instalación principal es el mostrado en la Ilustración 23, el
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
38
mismo esquema se puede apreciar con más detalle en el Anexo: Esquemas y planos.
Ilustración 23: Esquema eléctrico de la instalación principal.
Del embarrado principal se alimenta al transformador auxiliar. Se trata de un
transformador trifásico, de aislante seco, potencia 1 MVA y relación de
transformación 5 kV / 400 V. Este transformador está destinado a alimentar a todos
los servicios de la sala de máquinas, es decir, todos los equipos del autómata, motores
de inducción, excitaciones de los grupos de generación, equipos de refrigeración, así
como las protecciones y aparatos de las cabinas de protección de los grupos. Además,
también se emplea para alimentar a las cabinas de los transformadores ensayados
cuando es necesario.
A parte del embarrado principal, existen dos embarrados conectados a cada uno de los
transformadores de ensayo y un cuarto embarrado conectado entre las baterías de
condensadores y los transformadores de ensayo. A través de las celdas de los
embarrados de los transformadores, se puede conectar cada uno de los grupos a cada
uno de los transformadores de ensayos. Estas celdas alojan toda la aparamenta,
interruptores y seccionadores aislados en hexafluoruro de azufre, necesaria para
operar con seguridad la instalación. En la Ilustración 24 puede verse las celdas
correspondientes al embarrado principal.
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
39
Ilustración 24: Celdas del embarrado principal.
Los motores de los grupos generador-motor se alimentan desde el embarrado
principal. Estos grupos se conectan a los transformadores de ensayos para
alimentarlos. Los grupos de generación consisten en una pareja de motor y generador,
es decir, dos máquinas síncronas acopladas entre sí, una funcionando como motor y
otra como generador. El motor se alimenta directamente a la red de 5 kV, siendo su
función arrastrar al generador. El generador alimenta al transformador de ensayos
empleado en cada caso. Las excitaciones de cada máquina consisten en un generador
de corriente continua accionado por un motor asíncrono. La excitación de estas
máquinas de continua se lleva a cabo mediante unas fuentes de tensión regulables, de
manera que permite un ajuste fino de la excitación variando la tensión de la
alimentación al transformador de ensayo.
La sala de máquinas cuenta con tres grupos motor-generador totalmente
independientes entre sí.
El primer grupo, conocido como generador principal, tiene la particularidad de que el
acople entre las dos máquinas se realiza con una caja de cambios, permitiendo generar
a 50 Hz o a 60 Hz según se necesite.
En el segundo grupo generador-motor 2 las dos máquinas giran acopladas
directamente generando a una frecuencia de 50 Hz.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
40
En el grupo generador-motor 3 las dos máquinas giran acopladas directamente
combinando los números de pares de polos para generar una frecuencia de 175 Hz.
El autómata gestiona la operación de las cabinas, siguiendo las órdenes que se le
proporcionan desde la sala de control haciendo uso del SCADA, aunque también
existe la posibilidad de operar manualmente las cabinas.
Centro de transformación
La acometida de la compañía eléctrica llega al centro de transformación propio de la
fábrica en 20 kV y 50 Hz. En este centro, un transformador la convierte a 5 kV y la
distribuye al resto de la fábrica.
Las características de este transformador se indican en la Tabla 5.
Tabla 5: Centro de transformación, características
Transformador de centro de transformación
Tensión nominal 20 / 5 kV
Grupo de conexión Dyn11
Tensión de cortocircuito 7,5 %
Potencia 10 MVA
Aislamiento Aceite
Refrigeración ONAF
Transformador de ensayos principal
El transformador de ensayos principal está situado en el área de ensayos. Se trata de
un transformador de tres devanados, con potencia 240 MVA y tensión secundaria 144
kV. Su grupo de conexión es YNyn. Es de tipo constructivo acorazado, con
aislamiento en aceite y refrigeración forzada en aceite y aire.
Tiene una construcción especial ya que está dotado de seis bornas que permiten
realizar externamente las conexiones entre devanados, además de tres conmutadores
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
41
de tomas. En la Tabla 6 se muestran sus características. En la Ilustración 25 se puede
observar la parte superior del transformador.
Tabla 6: Transformador de ensayos principal, características.
Transformador de ensayos principal
Tensión nominal 3~144 / 22,5 / 6,3 kV
Grupo de conexión YNdyn
Potencia 240 / 230 / 10 MVA
Aislamiento Aceite
Refrigeración OFAF
Ilustración 25: Transformador de ensayos principal.
Devanado de alta tensión
Su tensión máxima es 144 kV y su potencia nominal 240 MVA.
En este devanado se encuentra instalado los tres conmutadores de regulación:
Conmutador 1: permite conectar el devanado en serie o en paralelo,
permitiendo alcanzar mayor tensión o intensidad según se desee.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
42
Conmutador 2: permite conmutar entre cuatro escalones y cinco
posiciones proporcionando una regulación fina en intervalos de 3 kV.
Conmutador 3: conmutar entre cuatro escalones y cinco posiciones
proporcionando una regulación más gruesa que el anterior en intervalos
de 15 kV.
Además de la regulación proporcionada por los conmutadores, los extremos de las
tres fases del devanado tienen conexión exterior mediante bornas en la tapa. Esto
permite conectar mediante conductores amovibles el devanado en estrella con neutro
a tierra (conexión normal trifásica) o en estrella con fase a tierra (conexión para
ensayos monofásicos alimentados a dos fases).
En este devanado se encuentra un sistema de medida compuesto por transformadores
de intensidad y divisores de tensión capacitivos. Este sistema de medida es el
empleado para obtener los datos de los ensayos. Además, cuenta con un juego de
pletinas amovibles que permiten desconectar el transformador de ensayos de la
maquina ensayada fácilmente para realizar medidas.
Devanado de media tensión, generadores
Este devanado se conecta a los grupos motor-generador a través de los embarrados
instalados en la sala de máquinas. Su conexión es en estrella. Su tensión nominal es
6,3 kV y su potencia nominal 10 MVA.
Devanado de media tensión, compensación
Este devanado se conecta al las baterías a través de los interruptores destinados a ello.
Su tensión nominal es 22,5 kV y su potencia nominal 230 MVA. Su conexión es en
triángulo, si el ensayo es monofásico, el devanado funciona de manera desequilibrada.
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
43
Transformador de ensayos secundario
El transformador de ensayos secundario es de más antigüedad que el principal. Fue
empleado hasta la construcción del transformador principal, que vino a sustituirlo para
ampliar la capacidad del Laboratorio de Ensayos.
Se trata un transformador trifásico de tres devanados, de potencia 117 MVA, tensión
en el secundario de 96 kV. Su construcción es similar al principal, teniendo la misma
configuración de bornas y posibilidades que el principal. De igual manera cuenta con
tres conmutadores de tomas en vacío. Dos de estos conmutadores varían la relación de
transformación, uno de ellos en saltos finos y otro en saltos más gruesos. El tercero de
los conmutadores permite conectar las dos partes de cada devanado en serie o en
paralelo. Sus características se indican en la Tabla 7.
Tabla 7: Transformador de ensayos secundario, características.
Transformador de ensayos secundario
Tensión nominal 1~96 / 22,5 / 6,3 kV
Grupo de conexión YNdyn
Potencia 117 MVA
Aislamiento Aceite
Refrigeración OFAF
Debido a que fue sustituido por el transformador principal para repotenciar la
instalación, ha quedado relegado al uso durante ensayos de menor potencia cuando el
transformador principal no está disponible o bien se necesita realizar dos ensayos
simultáneamente.
Baterías de condensadores
En esta zona se encuentran instaladas las baterías de condensadores destinadas a
aportar energía reactiva a los ensayos. Las baterías se agrupan de manera trifásica en
cinco conjuntos. Disponen de seccionadores para conectar o desconectarlas en
pequeños grupos, además, también se pueden conectar de manera monofásica. Cada
batería está formada por un conjunto de condensadores monofásicos. En la Ilustración
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
44
20 se muestra la distribución de las mismas. Sus características eléctricas se indican
en la Tabla 8.
Tabla 8: Batería de condensadores, características.
Baterías de condensadores
Tensión máxima 6,5 kV
Frecuencia 50 / 60 Hz
Capacidad 26,37 µF
Potencia 350 / 420 kVAr (50 / 60 Hz)
Potencia total instalada
disponible: 200 / 240 MVAr ( 50 / 60 Hz)
Ilustración 26: Batería de condensadores.
Grupos motor-generador
La alimentación de la sala de ensayos se construyó haciendo uso de grupos de
generación. Cada grupo está formado por dos máquinas síncronas, una que actúa
como motor y otra como generador.
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
45
En la sala de máquinas se encuentran instalados tres grupos de generación, cada uno
está destinado a realizar unos determinados ensayos ya que proporcionan
alimentaciones a distintas frecuencias. En la Ilustración 27 puede verse las parejas
motor-generador de los grupos 1 y 2.
Ilustración 27: Grupos generador-motor 1 y 2.
El esquema empleado es de dos máquinas síncronas acopladas mecánicamente. En
primer lugar, una máquina que funciona como motor y que se alimenta directamente a
la subestación de la fábrica a 5 kV. En segundo lugar, otra máquina destinada a
funcionar como generador y que es accionada por la primera. Los ejes de ambas
máquinas están acoplados mecánicamente.
El transformador de ensayo es alimentado al generador. Al ser ambas máquinas
síncronas, la velocidad mecánica y la frecuencia generada son dependientes en base a
una relación a la frecuencia de la red y por tanto fijas.
La relación entre la frecuencia de alimentación y la generada se obtiene mediante el
número de polos de cada máquina y la relación de engranajes en el caso de que exista.
La tensión generada se controla a través de la excitación del generador, mientras que
la excitación del motor se mantiene fija.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
46
Las excitaciones se alimentan con máquinas de continua de excitación independiente.
Éstas son accionadas por motores de inducción. La excitación de estas máquinas se
alimenta mediante fuentes de tensión regulables controladas por el autómata. El
esquema de este sistema puede verse en la Ilustración 28.
Ilustración 28: Excitación de grupos motor-generador.
La principal ventaja de este sistema es que la transferencia de energía al generador se
hace de manera mecánica, con lo cual se demanda al centro de transformación sólo la
energía activa necesaria para el ensayo evitando causar grandes caídas de tensión en la
instalación de la fábrica.
Otra ventaja a tener en cuenta es que un fallo eléctrico en el ensayo queda aislado del
resto de la instalación.
Como contrapartida, el arranque de los motores síncronos puede causar
perturbaciones en la instalación de la fábrica.
Grupo generador-motor 1
Este grupo tiene la particularidad de que el acoplamiento entre el motor y el generador
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
47
se realiza mediante una caja de cambios. Según se use una relación u otra, la
frecuencia que se obtiene en el generador puede ser 50 Hz o 60 Hz.
El arranque del grupo se realiza de manera asíncrona, esto es, conectando el motor de
manera directa a la red con el devanado inductor cortocircuitado. Una vez se ha
acelerado el motor, cerca de la velocidad de sincronismo, se abre el circuito inductor y
se alimenta con corriente continua.
Este grupo se puede emplear para ensayar transformadores tanto de 50 Hz como de 60
Hz, aunque normalmente se emplea para 60 Hz.
Sus características eléctricas se indican en la Tabla 9.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
48
Tabla 9: Grupo generador-motor 1, características.
Grupo generador-motor 1
Motor
Potencia útil 4800 CV (3,53 MW)
Potencia eléctrica 3,65 MVA
Tensión nominal 5 kV
Frecuencia 50 Hz
Número de polos / velocidad de giro 3pares / 1000 r/min
Excitación 55 V / 263 A
Caja de cambios
Relaciones engranajes 1:1 / 10:12
Generador
Potencia nominal 10 MVA
Factor de potencia nominal 0,35
Tensión nominal 6,45 kV
Frecuencia 60 Hz
Numero de polos / velocidad 3 pares / 1200 r/min
Excitación 43 V / 493 A
Grupo generador-motor 2
El motor y el generador de este grupo están acoplados directamente, de manera que la
frecuencia generada está fijada a 50 Hz.
Normalmente, es el grupo que se emplea para los ensayos de máquinas destinadas a
funcionar a 50 Hz.
Sus características eléctricas se indican en la Tabla 10.
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
49
Tabla 10: Grupo generador-motor 2, características.
Grupo generador-motor 2
Motor
Potencia útil 4800 CV (3,53 MW)
Potencia eléctrica 3,65 MVA
Tensión nominal 5 kV
Frecuencia 50 Hz
Número de polos / velocidad 3pares / 1000 r/min
Excitación 55 V / 284 A
Generador
Potencia nominal 10 MVA
Factor de potencia nominal 0,35
Tensión nominal 6,45 kV
Frecuencia 50 Hz
Numero de polos /velocidad 3 pares / 1000 r/min
Excitación 49,4 V / 605 A
Grupo generador-motor 3
El motor y el generador de este grupo están acoplados directamente, aunque tienen
distinto número de pares de polos, para obtener una frecuencia de 175 Hz en el
generador.
Este grupo se arranca mediante un motor de arrastre. El motor de arrastre consiste en
un motor de inducción alimentado por un variador de frecuencia controlado por el
autómata. El motor de inducción va incrementando su velocidad progresivamente
según la alimentación del variador de frecuencia, cuando el motor del grupo llega a la
velocidad de sincronismo, el autómata se encarga de cerrar el interruptor para
acoplarlo a la red.
Este grupo se emplea para alimentar los ensayos de tensión inducida. En este ensayo,
todas las máquinas se alimentan a la misma frecuencia de 175 Hz,
independientemente de que su frecuencia nominal sea 50 Hz o 60 Hz.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
50
Sus características eléctricas se indican en la Tabla 11.
Tabla 11: Grupo generador-motor 3, características
Grupo generador-motor 3
Motor
Potencia útil 1300 HP (969,41 kW)
Potencia eléctrica 3,65 MVA
Tensión nominal 5 kV
Frecuencia 50 Hz
Número de polos / velocidad 2 pares / 1500 r/min
Excitación 110 V / 60 A
Generador
Potencia nominal 2 MVA
Factor de potencia nominal 0,35
Tensión nominal 6 kV
Frecuencia 175 Hz
Numero de polos /velocidad 7 pares / 1500 r/min
Excitación 49,4 V / 605 A
Motor de arranque
Potencia 132 kW
Tensión nominal 400 / 690 V 240 /139 A
Factor de potencia nominal 0,85
Velocidad nominal 1488 r/min
Sistema de control
La instalación está controlada por un autómata programable. Este autómata se
encuentra integrado dentro del sistema SCADA.
En la sala de control se encuentran instalados dos ordenadores, desde cada uno de
ellos se puede controlar a través de un sistema SCADA un puesto de ensayos. El PLC
por tanto gobierna la instalación y la lógica de seguridad de los dos transformadores a
la vez.
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
51
Las funciones del sistema son:
Supervisión y mando del estado de los interruptores de la instalación.
Supervisión y mando del conmutador de tomas de los transformadores
de ensayos.
Adquisición de datos de los transformadores de medida de la instalación.
Control de las fuentes de alimentación destinadas a excitar a los grupos
motor-generador.
Control autónomo de la seguridad, asegurando el enclavamiento de los
accesos antes de conectar elementos a tensión.
2.2.2 Grupo electrógeno
El grupo electrógeno funciona alimentado por diesel, sus características son las
indicadas en la Tabla 12: Grupo electrógeno.
Tabla 12: Grupo electrógeno, características.
Grupo electrógeno
Tensión nominal 400 V (regulable)
Frecuencia nominal 50 / 60 Hz
Potencia nominal 165 kVA
La finalidad del grupo es alimentar las cabinas, tanto de refrigeración como de
control, y otros equipos auxiliares de los transformadores ensayados. Normalmente se
usa sólo para los transformadores que funcionan a 60 Hz. Cuando el transformador a
ensayar trabaja a 50 Hz, se prefiere alimentar desde el transformador auxiliar de la
sala de máquinas. En caso de 50 Hz, pero con tensión distinta a 400 V, también se
emplea el grupo electrógeno.
Por tanto, aunque durante la mayor parte de los ensayos se trabaje con el grupo, en
ningún caso alimenta al ensayo propiamente dicho.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
52
2.3 Otros equipos y generadores en plataforma
En el interior del área de ensayos se encuentran el generador de impulsos y el
transformador para ensayos de tensión soportada aplicada.
2.3.1 Generador de impulsos
El Laboratorio de Ensayos cuenta con un generador de impulsos para la realización de
los ensayos de impulsos tipo rayo, rayo cortado en la cola y de maniobra. El
generador de impulsos es del tipo generador de Marx, consistente en una asociación
de condensadores y resistencias que se cargan en paralelo pasando a conectarse a serie
para provocar la descarga de los condensadores a través de una serie de explosores
para dar lugar a la onda de tensión deseada. En la Ilustración 29 se puede ver el
circuito equivalente del generador durante la carga (superior) y durante la descarga
(inferior). La carga se realiza a través de las resistencias de carga Rc con los
explosores o Spark Gaps manteniendo su aislamiento. Para la descarga, un dispositivo
(trigger) provoca una descarga entre el primer explosor, esto somete al siguiente a la
tensión de la primera capacidad. De esta manera se provoca la conexión en serie entre
tierra y el extremo superior del generador de todas las capacidades cuyas tensiones se
suman para generar la onda de impulso.
El generador de impulsos alcanza una tensión máxima de 3 MV con 450 kJ. Para los
ensayos de impulso tipo rayo cortado en la cola se conecta un equipo Chopping Gap.
Para la medida de la tensión del impulso se emplea un divisor capacitivo.
El generador se controla de manera independiente a la instalación de alimentación a
través de un sistema que integra el control y la recepción de las medidas de la onda de
tensión e intensidad correspondiente.
INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
53
Ilustración 29: Generador de impulsos [16].
2.3.2 Transformador para ensayos de tensión soportada aplicada
Las mayores tensiones que es necesario alcanzar son las requeridas en los ensayos de
tensión aplicada a algunos transformadores. Durante este ensayo, la potencia eléctrica
es bastante inferior en comparación con la de otros ensayos. Para evitar los
inconvenientes de tener un transformador de ensayos capaz de alcanzar estas
tensiones, se optó por limitar su tensión a 144 kV. Para superar esta tensión, se
dispone de un transformador monofásico en la sala de ensayos capaz de llegar hasta
400 kV.
55
3 ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL
3.1 Introducción
En este capítulo se exponen cuáles son las distintas limitaciones que se presentan en la
actualidad para el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión.
Dichas limitaciones son de dos tipos, ambos relacionados con los grupos de
generación. Por un lado se tienen aspectos relacionados con la fiabilidad de la
instalación fruto del estado de conservación de los grupos de generación. Y por otro
lado las limitaciones relacionadas con la capacidad para hacer frente a las nuevas
necesidades que presentan los transformadores que se ensayan en la actualidad.
3.2 Estado de conservación de los grupos de generación
El principal problema, común a los tres grupos, es el mal estado de conservación de
los mismos debidos a su antigüedad. Cada grupo está formado por seis máquinas
electromecánicas, dos máquinas síncronas, generado y motor; dos excitaciones, cada
una de ellas formadas por un motor asíncrono y un generador de continua. De esta
manera, cada grupo consta de tres enlaces mecánicos con sus correspondientes
sistemas de engrase.
En el caso del grupo generador-motor 1, el enlace entre el motor y generador síncrono
se realiza mediante una caja de cambios de dos relaciones. Esto implica otro elemento
mecánico con necesidad de engrase.
El arranque del grupo generador-motor 3 se realiza mediante un motor asíncrono de
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
56
arranque conectado al eje principal mediante una correa de tracción.
Esta complejidad mecánica unida a la antigüedad de los equipos provoca la aparición
de distintos problemas, como pueden ser holguras y vibraciones; y en caso de fallo de
lubricación sobrecalentamiento con consecuencias como rotura, deformaciones o
gripado.
Una avería en alguno de estos elementos mecánicos supondría la parada obligada del
funcionamiento del grupo afectado. En caso de verse afectado el grupo generador-
motor 1 o el generador-motor 3, implicaría una limitación sería para el Laboratorio, ya
que imposibilitaría la realización de ensayos a 60 Hz o 175 Hz.
Como medida de prevención es fundamental llevar a cabo un programa adecuado de
mantenimiento preventivo de las máquinas. Si bien esto es cierto, también hay que
tener en cuenta que en caso de avería, la solución pasaría probablemente por la
sustitución de la misma.
Otro aspecto que se desea mejorar es el plan de actuación en caso de fallo del
suministro eléctrico. En un escenario en el que el suministro eléctrico fallase, ante la
necesidad de continuar con la actividad de la fábrica, cabría emplear grupos
electrógenos diesel. Esta solución, si bien es válida para la mayor parte de consumos
de la fábrica, no es viable para la alimentación principal del laboratorio de ensayos. La
potencia de los motores síncronos y su sistema de arranque supondrían un problema
de estabilidad para el generador encargado de alimentarlos.
3.3 Capacidad de ensayo del laboratorio de alta tensión
Este apartado se analiza cuáles son los problemas que se presentan en la instalación
desde el punto de vista de los distintos ensayos que se realizan empleando como
alimentación los grupos de generación.
Mediante contactos con los departamentos de ventas e ingeniería, se ha llegado definir
cuáles son las características que cabe esperar en los transformadores a medio-largo
ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL
57
plazo. En cada ensayo se introducirán las características de los trasformadores de
referencia para estudiar las necesidades de la instalación.
Dado que existen distintos ensayos en los que se comprueban o miden distintas
magnitudes pero el comportamiento del transformador es el mismo, se han
establecido distintos grupos.
Ensayos con el transformador funcionando en vacío
Los ensayos a los que engloba, medida de pérdidas en vacío, corriente y armónicos, se
realizan de manera conjunta, con el transformador en vacío (devanado secundario sin
conectar).
En estos ensayos, la carga que supone el transformador en ensayo y las pérdidas del
transformador elevador tiene en todos los casos factor de potencia altamente
inductivo, variando entre 0,1 y 0,5 en los casos más extremos.
En todos los casos se realizan a la frecuencia industrial, 50 Hz o 60 Hz, del país al que
vaya destinado el transformador.
El ensayo se realiza a distintas tensiones, llegando a los límites prescritos por las
normas, en algunos casos por parte del cliente se solicita la realización a tensiones de
120 % de la tensión nominal. Esta sobretensión máxima será la que se tome como
referencia para este análisis ya que las condiciones son más severas en todos los
aspectos, mayor demanda de tensión, potencia e intensidad, así como una mayor
distorsión en la corriente.
El aspecto más problemático de los ensayos de vacío se debe a la corriente de
magnetización. Alimentar el transformador en sobretensión supone que este trabaje a
un valor de inducción magnética superior al nominal. Los transformadores de
potencia se diseñan para trabajar con inducción magnética en torno al codo de
saturación de la característica magnética del núcleo. Esto hace que la forma de onda
de la intensidad de vacío o magnetización del transformador sea fuertemente
distorsionada, en la Ilustración 30 se puede observar un oscilograma en el que se
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
58
representa dicha corriente (Io) junto a la onda de tensión (E) y campo magnético,
intensidad (B) o flujo (Φ). En el funcionamiento con carga, la corriente de vacío
supone una pequeña parte de la intensidad absorbida por el transformador, con lo que
no se aprecia la distorsión de la misma. El transformador es alimentado en
sobretensión, lo que hace que aumente aún más la distorsión de la corriente de vacío.
.
Ilustración 30: Forma de onda tipo de la corriente de vacío [17].
La circulación de la corriente de vacío por la instalación de alimentación provoca
caídas de tensión a su vez distorsionadas en la impedancia equivalente formada por la
fuente y el transformador. Esto produce que la onda de tensión con la que se alimenta
al transformador bajo ensayo sea distorsionada.
La onda de alimentación tiene un menor contenido armónico en tanto la impedancia
equivalente de la alimentación es menor. Se suele considerar que una potencia
nominal de la alimentación de entre 5 y 10 veces superior a la necesaria es suficiente
para realizar el ensayo en condiciones válidas [17].
Al realizarse ensayos de transformadores trifásicos y monofásicos, se debe tener en
cuenta este aspecto ya que la instalación de la alimentación del ensayo se conecta en
modo trifásico y bifásico respectivamente.
En lo siguiente no se ha tenido en cuenta el rendimiento de la instalación ya que se
ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL
59
mayora la potencia del ensayo diez veces para evitar los problemas de distorsión
armónica durante el ensayo.
En la Tabla 13 se tienen los valores obtenidos de potencia recomendada para la
alimentación del ensayo de vacío, como factor de potencia tipo del ensayo se ha
tomado 0,4.
Tabla 13: Estimación de potencia para el ensayo de vacío.
Estimación de potencia para el ensayo de vacío
Trifásicos
Sn V Po Po’ Sf
1 1,2 GVA 120 % 300 kW 432 kW 10,75 MVA
4,3 MW
2 1,1 GVA 120 % 300 kW 432 kW 10,75 MVA
4,3 MW
Monofásicos
Sn V Po Po’ Sf
3 750 MVA 120 % 200 kW 288 kW 7,2 MVA
2,9 MW
Leyenda
Sn Potencia nominal
V Tensión de ensayo aplicable relativa a la nominal
Po Potencia de pérdidas en vacío a tensión nominal (valor de diseño)
Po’ Potencia de pérdidas en vacío a la tensión de ensayo
Sf Potencia nominal recomendada para la alimentación:
De los resultados Sf en la Tabla 14, se comprueba como el caso del transformador
monofásico supone una mayor carga para la alimentación. Si tenemos en cuenta que
tanto generador como transformador son equipos trifásicos que se hacen funcionar de
manera desequilibrada en dos fases:
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
60
Tabla 14: Características de la alimentación para el ensayo de vacío.
Características de la alimentación para el ensayo de vacío
Fases Potencia entregada Potencia nominal
3 432 kW 10,75 MVA
4,3 MW
1 288 kW 7,2 MVA
2,9 MW
Ensayo de calentamiento
La conexión empleada para realizar el ensayo de calentamiento es similar a la
empleada durante el ensayo de medida de impedancia en cortocircuito y medida de
pérdidas en carga, medida del nivel de ruido y vibraciones y medida de las pérdidas
en refrigeración.
El consumo de potencia cuando se alimenta al transformador en cortocircuito se
produce fundamentalmente en los arrollamientos, teniendo muy poco peso las
pérdidas del núcleo. El modelo eléctrico del transformador cortocircuitado es el
equivalente al circuito eléctrico, una impedancia inductiva.
Durante el ensayo de calentamiento se pretende simular el efecto de las pérdidas del
transformador de manera que se alimenta a una tensión mayor de la de cortocircuito
hasta lograr un valor de perdidas en el circuito eléctrico igual a la suma de las
pérdidas en vacío y en cortocircuito. Esto hace que el ensayo de calentamiento sea el
que demanda una mayor cantidad de potencia de entre todos los ensayos.
El tiempo de duración del ensayo de calentamiento viene dado por la dinámica
térmica del mismo, de manera que el equilibrio térmico se alcanzará antes o después
en función del volumen de aceite, tipo constructivo, temperatura ambiente y sistema
de refrigeración. Por experiencia, la duración del ensayo es del orden de 10 horas.
En una primera etapa se reproducen las pérdidas totales del transformador hasta que
se alcanza un equilibrio térmico, medido como variaciones máximas de temperatura a
lo largo de una hora.
ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL
61
Tras esta primera etapa, se pasa a una segunda en la que se inyecta solo la corriente
nominal, dando lugar sólo a las pérdidas de cortocircuito. Esta etapa tiene como
objetivo reducir la temperatura del devanado, ya que es superior a la del
funcionamiento nominal, pues todas las pérdidas se producen en el mismo. Igual que
la anterior, esta etapa concluye cuando se alcanza el equilibrio térmico.
Finalmente, se desconecta el transformador y se abre el cortocircuito para medir la
resistencia de los devanados. A través de esta medida de resistencia, se obtiene la
temperatura media de los mismos.
Además de ser el ensayo con una mayor demanda de potencia, hay que tener en
cuenta la duración del mismo, muy superior en comparación con el tiempo empleado
en otros ensayos.
Como variante tipo ensayo especial, se puede realizar el ensayo de calentamiento en
sobrecarga. Esta situación es la que se analizará por ser la de mayor demanda.
En la Tabla 15 se muestran las potencias y tensiones que se necesitan para ensayar los
distintos transformadores. El factor de 1,25 que aparece en la expresión de Pf se
corresponde a una estimación de las pérdidas en la instalación fruto de la experiencia
en la realización del ensayo.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
62
Tabla 15: Estimación de potencia para el ensayo de calentamiento.
Estimación de potencia para el ensayo de calentamiento
Trifásicos
Sn εcc SC Po Pcc Pf Sf
1 1,2 GVA 15 % 120 % 300 kW 2,2 MW 3,7 MW 300,7 MVA
2 1,1 GVA 16 % 130 % 300 kW 1,9 MW 3,5 MW 320,7 MVA
Monofásicos
Sn εcc SC Po Pcc Pf Sf
3 750 MVA 16 % 130 % 200 kW 1,7 MW 3,0 MW 212,7 MVA
Leyenda
Sn Potencia nominal
εcc Tensión de cortocircuito
SC Sobrecarga a la que se realiza el ensayo
Po Potencia de pérdidas demandada en el ensayo de vacío
Pcc Potencia de pérdidas demandada en el ensayo de cortocircuito
Pf Potencia activa demandada a la fuente:
Sf Potencia aparente demandada a la fuente:
Para garantizar el correcto funcionamiento, dimensionando la potencia de la fuente se
ha decido tomar las potencias máximas de la tabla anterior como punto de trabajo de
la misma al 75 % de su carga nominal. Con esta mayoración se pretende garantizar un
correcto funcionamiento frente posibles situaciones como sobrecargas puntuales o
transitorios de arranque. En la misma línea, parece adecuado prever un margen de
seguridad para no apurar la instalación en las condiciones más severas.
ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL
63
Tabla 16: Características de la alimentación para el ensayo de calentamiento.
Características de la alimentación para el ensayo de calentamiento
Fases Potencia consumida Potencia fuente
3 3,7 MW / 300,7 MVA 3,7 MW / 4,9 MW (75 %)
1 3,0 MW / 212,7 MVA 3,0 MW / 4,0 MW (75 %)
Ensayo de tensión soportada aplicada
La conexión empleada para realizar el ensayo de tensión soportada aplicada consiste
en cortocircuitar entre sí los terminales de cada devanado, entre los que se aplica la
tensión de ensayo. La frecuencia empleada debe ser la nominal del transformador,
admitiéndose como mínimo el 80 % de la misma [13]. El aislamiento principal,
sometido a la tensión de ensayo, se comporta como una carga capacitiva con un
pequeño consumo de pérdidas debido a la circulación de corriente por el propio
transformador siendo las pérdidas dieléctricas despreciables frente a las primeras.
El objetivo de este ensayo es comprobar el buen estado del aislamiento entre los
devanados y entre los devanados y tierra. El ensayo se considera satisfactorio si
durante el mismo no colapsa la tensión ni se presenta síntomas de fallo en el
transformador.
Puede ser necesario compensar el factor de potencia capacitivo del ensayo a fin de
que el generador de la alimentación trabaje dentro de su región admisible. Al trabajar
con factores de potencia capacitivos, la tensión aplicada al transformador bajo ensayo
es mayor que la generada. Para compensar el factor de potencia del ensayo se puede
conectar una reactancia variable.
A la hora de estimar la potencia de la alimentación no se trata de un ensayo relevante,
ya que la potencia activa consumida es muy inferior a la del resto de ensayos.
Ensayo de tensión soportada inducida
El objetivo de este ensayo es comprobar el buen estado del aislamiento en su
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
64
totalidad: entre devanados y tierra además de entre fases de un mismo devanado y
espiras de una misma fase. Para ello, durante el ensayo de tensión soportada inducida
se hace funcionar al transformador en vacío. El ensayo se realiza a tensión elevada, ya
que las tensiones a las que se alimenta son superiores a la nominal y harían saturar el
núcleo. Para la instalación esta frecuencia está fijada a 175 Hz.
En estas condiciones, debido a la frecuencia, los efectos capacitivos pasan a ser
dominantes sobre los inductivos, con lo cual el transformador se comporta generando
potencia reactiva y consumiendo activa. A ello hay que añadir el mismo efecto que
también se produce en el generador de ensayos.
Las consideraciones relativas al carácter capacitivo del ensayo de tensión soportada
aplicada son válidas en el de tensión aplicada inducida aunque en este caso la potencia
activa consumida es superior.
3.4 Conclusiones
Las razones que justifican la sustitución del sistema de alimentación del Laboratorio
de Ensayos en Alta Tensión son: el estado de conservación de los grupos de
generación, la ausencia de respaldo para algunos ensayos en caso de averías de los
grupos generador-motor 1 y 3 y la imposibilidad de funcionamiento actual en caso de
que fallase el suministro eléctrico.
Por otro lado, las características a medio y largo plazo de los transformadores
producidos demandan unas prestaciones mayores para la alimentación. Para cubrir
estas previsiones, habiendo analizado distintos ensayos, se desprende que el ensayo
más exigente es el de calentamiento con sobrecarga, seguido del ensayo de vacío por
su problemática particular. En el caso de los ensayos de tensión soportada inducida y
aplicada, presentan menor exigencia, aunque es necesario puntualizar el carácter
capacitivo de los mismos el cual se puede solventar mediante compensación. Por lo
tanto, el ensayo que resulta determinante es el de calentamiento.
En la Tabla 17 se tiene los requerimientos para la alimentación con los
ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL
65
transformadores de referencia, en los casos monofásicos se han incluido las potencias
equivalentes al caso trifásico trabajando con dos fases. En la Tabla 18 se tienen las
características actuales de la alimentación del Laboratorio.
Tabla 17: Capacidad requerida para la alimentación.
Capacidad requerida para la alimentación
Trifásico Monofásico
Ensayo de vacío
50 Hz 432 kW / 1075 kVA
Gen: 10,75 MVA / 4,3 MW
144 kV
288 kW / 720 kVA
Gen: 12,47 MVA / 5 MW
144 kV 60 Hz
Ensayo de calentamiento
50 Hz 3,7 MW / 300,7 MVA
(generador de 4,9 MW)
3,0 MW / 212,7 MVA
(generador de 4MW, 6,9 MW 3F) 60 Hz
Tabla 18: Capacidad actual de la alimentación.
Capacidad actual de la alimentación
Trifásico Monofásico
Ensayo de vacío
50 Hz 350 kW / 240 MVA
Gen: 10 MVA / 3,5 MW
144 kV
200 kW / 138,6 MVA
Gen: 10 MVA / 3,5 MW
144 kV 60 Hz
Ensayo de calentamiento
50 Hz 3,5 MW / 240 MVA
2,0 MW / 138,6 MVA
(generador de 3,5 MW 3F) 60 Hz
Tensión soportada aplicada
50 Hz
2,0 MW / 138,6 MVA
400 kV 60 Hz
Tensión soportada inducida
175 Hz 700 kW 2 MVA 404,1 kW / 1,2 MVA
(generador de 2 MVA 3F)
Comparando los resultados de ambas tablas, Tabla 17 y Tabla 18, se puede observar
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
66
como los requerimientos en los ensayos de vacío y calentamiento son superiores a la
capacidad actual de la instalación. Cabe destacar que el transformador de ensayos
actual tiene una potencia insuficiente para trabajar con la reactiva demanda en los
ensayos de calentamiento, tanto en trifásico como en monofásico. El caso monofásico
sería el más severo, exigiendo una potencia nominal equivalente de 6,9 MW. De aquí
en adelante, se atenderá a los cambios necesarios en la generación para cubrir estos
requerimientos dejando para un futuro la posible sustitución del transformador de
ensayos.
67
4 SOLUCIÓN PROPUESTA
4.1 Introducción
En el Capítulo 3 se ha analizado la situación actual del Laboratorio de Ensayos en
Alta Tensión llegando a la conclusión de que es necesario renovar la alimentación de
la instalación principal para dar respuesta a los distintos problemas que se presentan y
a las necesidades futuras para realizar los ensayos. En este capítulo, se presenta la
solución propuesta para el Laboratorio de Ensayos.
En primer lugar, en el apartado 4.2, se definen las características, objetivos y aspectos
a tener en cuenta a la hora de desarrollar la propuesta. Seguidamente, en el apartado
4.3, se exponen las distintas tecnologías que se emplean en la actualidad en el campo
de los ensayos en alta tensión con el objetivo de dilucidar cuál es la más adecuada
para este proyecto. En el apartado 4.4 se desarrolla la solución propuesta,
dimensionando y seleccionando los equipos que la componen. En el apartado 4.5 se
especifica el modo de instalación de los equipos en la Sala de Máquinas. Finalmente,
en el apartado 4.6, se elabora una planificación, distribuyendo las actuaciones
necesarias para la instalación de la solución en el tiempo con el objetivo de
compaginarlas en la medida de lo posible con la normal actividad del Laboratorio de
Ensayos.
4.2 Especificaciones
El nuevo sistema de alimentación destinado a sustituir a los grupos generador-motor
deberá ser instalado en la sala de máquinas.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
68
La alimentación de los mismos al centro de transformación se deberá de mantener a
través del embarrado principal. De igual manera, la conexión a los transformadores de
ensayo se deberá mantener a través de los dos embarrados empleados en la actualidad.
El nuevo sistema debe de satisfacer los requisitos marcados en el capítulo 3 para los
distintos ensayos. En la Tabla 19 se recogen estas características, no se incluye en la
potencia aparente ya que en el caso del calentamiento se aporta desde los
condensadores y en el del vacío, como se verá posteriormente, se solventa el
problema de la distorsión el control de la forma de onda generada. A su vez, la tensión
generada deberá de ser regulable hasta 6 kV y la frecuencia, al menos, entre 50 Hz y
175 Hz.
Tabla 19: Características requeridas para la alimentación.
Comparativa de las características para la alimentación
Fases Vacío Calentamiento
3 (432 kW) 4,3 MW
6,3 kV 50 / 60 Hz
4,9 MW 6,3 kV
6,3 kV 50 / 60 Hz
1 (288 kW) 2,9 MW (5 MW 3F)
6,3 kV 50 / 60 Hz
4 MW (6,9 MW 3F) 6,3 kV
6,3 kV 50 / 60 Hz
Una funcionalidad deseable es la posibilidad de modificar la forma de onda de la
salida del equipo para corregir la distorsión que pudiera presentar.
Es imprescindible que la solución implementada pueda ser alimentada a través de un
grupo electrógeno en caso de que no sea posible hacerlo a través de la red eléctrica.
En lo siguiente se muestra una serie de principios generales que se deben de tener en
cuenta en el diseño. La instalación debe ser flexible para permitir en el futuro ampliar
de nuevo la potencia de la instalación o bien variar alguna de sus características si
fuera necesario. Es conveniente que los equipos tengan carácter modular, para que en
caso de que se produzcan averías sean fácilmente sustituibles. De igual manera, es
exigible que la solución sea concebida con la premisa de que en caso de avería de
algún equipo o parte, el Laboratorio de Ensayos no vea afectada su capacidad para
realizar ensayos o al menos sólo la vea afectada parcialmente, prefiriendo que exista
respaldo para los distintos ensayos.
SOLUCIÓN PROPUESTA
69
4.3 Alternativas tecnológicas
En este apartado se van a presentar las dos tecnologías que se emplean en la
actualidad para laboratorios de ensayos en alta tensión. En primer lugar se plantea la
posibilidad los grupos motor-generador por otros actuales, con las características
adecuadas para satisfacer los requerimientos de la instalación. En segundo lugar
plantea la posibilidad de sustituir los grupos actuales de generación por convertidores
de frecuencia estáticos. En ambos casos se hace hincapié en los aspectos particulares
de cada una de ellas. Finalmente se realiza un análisis comparativo de ambas
alternativas.
4.3.1 Grupos motor-generador
La filosofía del sistema no cambiaría. Cada grupo motor-generador estaría dedicado a
una serie de frecuencias determinadas.
Hoy en día, con la amplia difusión de los equipos de electrónica de potencia, no
tendría sentido emplear máquinas eléctricas para las excitaciones. El control de la
excitación de cada máquina se realizaría directamente sobre la tensión de fuentes
electrónicas de corriente continua regulables. De esta manera se simplificaría el
sistema desde el punto de vista del mantenimiento. En la Ilustración 31 puede
observarse como quedaría el esquema de la excitación de los grupos directamente
alimentados por fuentes de tensión regulables.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
70
Ilustración 31: Excitación grupo motor-generador con fuentes regulables.
La dependencia de un grupo determinado para una determinada frecuencia, en el caso
de los ensayos a 50 / 60 Hz, sería mejorable instalando dos grupos de iguales
características con una caja de cambios. Este esquema, análogo al del grupo motor-
generador 1, permitiría tener respaldo en el caso de los ensayos a frecuencia
industrial. En el caso del ensayo de tensión soportada inducida sería más
problemático, ya que harían falta dos grupos para solo un ensayo.
4.3.2 Convertidores de frecuencia estáticos
Como convertidor de frecuencia estático se entiende un sistema basado en
componentes de electrónica de potencia capaz de convertir la energía eléctrica alterna
de una frecuencia a otra variando además su tensión. Dentro de la electrónica de
potencia, existen diversas topologías y tecnologías disponibles de convertidores, en lo
siguiente se mostrarán las más adecuadas para la aplicación.
Dentro del campo de la aplicación, los dispositivos más empleados en la actualidad
son: diodos, tiristores (SCR) y transistores (IGBT).
Los convertidores estáticos de frecuencia constan de dos etapas, rectificador e
inversor, conectadas entre sí por un bus de corriente continua. Este esquema, con bus
de continua, es el más empleado, aunque en otras aplicaciones más específicas existen
variantes distintas.
SOLUCIÓN PROPUESTA
71
La etapa rectificadora puede ser controlada, semicontrolada o no controlada en
función del tipo de componente empleado. Las distintas topologías permiten controlar
diferentes aspectos como la tensión de salida o el flujo de potencia activa y reactiva en
la alimentación. En la aplicación, al no ser necesario el flujo de potencia activa hacia
la alimentación y pudiendo prescindir del control de potencia reactiva, se optaría por
un rectificador no controlado.
Dentro de los rectificadores no controlados de diodos, con alimentación trifásica,
existen distintas alternativas, de las cuales las más comunes son:
Rectificador de seis pulsos
Está formado de un rectificador trifásico de diodos. Se denominan de seis
pulsos porque la onda de tensión rectificada posee un rizado de frecuencia
seis veces superior a la red. En la Ilustración 32 puede verse el esquema de
conexión.
Ilustración 32: Rectificador no controlado de seis pulsos.
Rectificador de doce pulsos.
Se compone de dos rectificadores trifásicos de seis pulsos alimentados por
un transformador de tres devanados. Ambos rectificadores se conectan en su
lado de alterna a los dos secundarios del transformador y los lados de
continua se conectan a su vez en serie. El grupo de conexión del
transformador es Yyd, lo que permite tener un menor contenido armónico
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
72
en el lado de alterna. El desfase entre ambos devanados secundarios debido
al grupo de conexión hace que el rizado obtenido en el lado de continua sea
de menor magnitud y del doble de frecuencia, doce pulsos por periodo de
red, que el rectificador de seis pulsos. En la Ilustración 33 puede verse el
esquema de conexión, los rectificadores de seis pulsos se han representado
como bloques.
Ilustración 33: Rectificador no controlado de doce pulsos.
Cabe distinguir, según dispongan de condensadores o bobinas como interconexión en
el bus de continua, entre:
Tipo fuente de tensión
Usan condensadores para estabilizar la tensión de continua, comportándose
el rectificador como una fuente de tensión de cara al inversor.
Tipo fuente de intensidad
Usan bobinas para estabilizar la intensidad de continua, comportándose el
rectificador como una fuente de intensidad.
Al ser necesario el control de la frecuencia y de la tensión de salida, las opciones
contempladas para la etapa de inversor son trifásicas totalmente controladas:
Inversores modulados por ancho de pulsos (PWM)
SOLUCIÓN PROPUESTA
73
Conmutan los dispositivos del inversor a una frecuencia elevada,
típicamente del orden de 1 kHz. La tensión de conmutación es constante,
según la relación de tiempo que estén conectados a tensión máxima o cero,
se consigue modular una onda senoidal con un pequeño rizado donde la
componente principal es de la frecuencia deseada.
El rectificador que llevan incorporado es del tipo no controlado, ya que no
necesitan variar la tensión en la parte de continua.
Inversores de onda cuadrada
Conmutan los dispositivos del inversor a la frecuencia fundamental entre
dos valores de tensión extremos. La frecuencia de conmutación es
directamente la deseada. Con este método se consigue una onda cuadrada
de la frecuencia deseada con un gran contenido armónico.
Como rectificador, para poder variar la tensión de trabajo, deben de llevar
incorporado un rectificador semicontrolado.
La búsqueda de la solución se centrará por tanto en un convertidor estático de
frecuencia, formado por un rectificador no controlado de diodos y un inversor
controlado con control PWM de transistores IGBT unidos por un bus de continua de
tensión fija. El esquema, desde un punto de vista general, es el representado en la
Ilustración 34. En el esquema sólo se muestra los componentes más importantes de la
topología, una aplicación real incluiría otros componentes como filtros de entrada y
salida.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
74
Ilustración 34: Convertidor estático de frecuencia.
4.3.3 Discusión comparativa
A continuación se comparan distintos aspectos propios de ambas alternativas,
convertidores estáticos de frecuencia y grupos motor-generador, relevantes desde el
punto de vista de la aplicación.
El uso de grupos motor-generador es una solución con un largo recorrido, siendo
ampliamente utilizada en el ámbito de ensayos a transformadores de potencia. En el
caso de los convertidores de frecuencia estáticos no existe un recorrido con tanta
experiencia pero son una solución con cada vez empleada en este campo. Igualmente,
es ampliamente utilizada en gran número aplicaciones industriales.
Las posibilidades respecto a la forma de onda generada que plantea la solución a
través de convertidores de frecuencia estáticos frente a la solución mediante grupos
motor-generador son mayores.
El empleo de convertidores estáticos de frecuencia permite la variación de manera
continua de la frecuencia generada dentro del rango admisible del equipo, además,
esto es posible de realizarse con total independencia de la red. En el caso de los
SOLUCIÓN PROPUESTA
75
grupos motor-generador, la frecuencia generada viene fijada por la relación del
número de polos de ambas máquinas en relación a la frecuencia de la red.
En cuanto a la tensión de salida, ambas soluciones permiten su variación. Un aspecto
destacable de los convertidores estáticos de frecuencia, es que si el control del mismo
lo permite, se puede variar la conmutación del inversor con el fin de influir en la
forma de onda obteniendo una tensión senoidal a la vez que se aporta una corriente
con contenido armónico. Esto supone por tanto una ventaja fundamental frente a los
grupos motor-generador, que sólo permiten actuar sobre la tensión generada a través
de la excitación del generador.
En el caso de que se sucediese una falta en la realización del ensayo, el
comportamiento de ambas soluciones difiere. En el caso de un convertidor estático, el
tiempo de desconexión del mismo sería del orden de 10 µs limitando en gran medida
el aporte de energético al mismo. Para el caso de un grupo motor-generador, el tiempo
de actuación dependería de las protecciones del mismo, siendo del orden de 10 ms, lo
que supone un aporte mucho mayor de energía (sistema con gran inercia). El
comportamiento de ambos sistemas tendría impacto no solo en la instalación de
ensayos, sino en el propio sistema de alimentación, agravando las posibles
consecuencias del mismo conforme mayor es el tiempo de actuación y el aporte
energético. A pesar de esto, hay que mencionar la superior capacidad de sobrecarga
de una máquina síncrona frente a un convertidor estático de frecuencia.
En cuanto al funcionamiento con factores de potencia capacitivos, los convertidores
estáticos permiten un rango de trabajo muy superior al proporcionado por un
generador convencional.
Un solo convertidor estático de frecuencia, si su potencia es la suficiente, permite
realizar cualquieras de los ensayos estudiados ya que permite variar la frecuencia
generada, por el contrario, esto no es posible con un grupo generador-motor, siendo
necesario un grupo con la frecuencia adecuada para cada ensayo.
Dado el carácter modular de los convertidores de potencia, sería fácilmente
sustituibles alguna de sus partes en caso de que presentase averías o añadir más
componentes para modificar sus características, por ejemplo para aumentar su
potencia. En el caso de los grupos motor-generador esto resultaría imposible en la
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
76
práctica debido a los problemas que se presentan en el funcionamiento en paralelo de
generadores.
En cuanto a las necesidades de instalación y la influencia de la misma en el entorno,
cabría destacar el menor espacio que ocupa una solución basada en convertidores
estáticos de frecuencia. Igualmente, la menor generación de ruido audible y el hecho
de no presentar partes en movimiento la hacen más recomendable desde un punto de
vista de la seguridad para las personas. Para la instalación de los grupos motor-
generador es necesario también una mayor inversión en obra civil, requiriendo de
bancadas para su anclaje debido al peso de los mismos y las vibraciones producidas
en su funcionamiento.
Por las razones expuestas se propone el empleo de convertidores de frecuencia
estáticos para conformar el sistema de alimentación para el Laboratorio de Ensayos.
En la Tabla 20 se tiene un breve resumen las mismas.
SOLUCIÓN PROPUESTA
77
Tabla 20: Comparación entre grupos motor-generador y convertidores estáticos de
frecuencia.
Comparación entre grupos motor-generador y convertidores estáticos de frecuencia
CEF Grupos M-G
Frecuencia de salida ✔Variable ✘Fija
Posibilidad de realizar todos los
ensayos ✔Sí ✘No
Posibilidades de control ✔Grandes ✘Limitada
Control sobre la forma de onda ✔Sí ✘No
Influencia de los armónicos de
corriente ✔Menor ✘Importante
Funcionamiento en sobrexcitación ✔Sí ✘No
Desconexión en fallo ✔10 µs, poco
aporte de energía
✘10 ms, gran aporte de
energía
Capacidad de sobrecarga ✘Poca ✔Mayor
Presencia en la actualidad ✔Creciente ✘Decreciente
Necesidades de instalación ✔Poco espacio ✘Gran espacio
Emisión de ruidos ✔Emisión
moderada ✘Alta emisión
Posibilidad de incrementar la
potencia
✔Fácilmente,
carácter modular ✘Difícil
Partes en movimiento ✔Sistema de
refrigeración ✘Sí, ejes
Funcionamiento aislado de red ✔Con generador ✘Red necesaria
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
78
4.4 Definición
En este apartado se definen las características principales así como las distintas partes
y equipos que componen los convertidores de frecuencia estáticos propuestos para la
alimentación al Laboratorio de Ensayos. En primer lugar se aborda una selección de
equipos como propuesta base para configurar cada uno de los variadores a instalar.
La instalación de los equipos y su integración deberán de ser adjudicados a una
empresa externa. Esta empresa será la encargada de llevar a cabo la instalación de las
unidades generadoras. Dicha adjudicataria deberá tener la capacidad suficiente para
que a partir de las bases propuestas lleve a cabo la realización del proyecto.
La solución propuesta se compone de tres convertidores de frecuencia estáticos de
iguales características. Esta configuración permite alimentar simultáneamente a los
dos transformadores de ensayos disponibles. Contar con tres unidades con las mismas
características posibilita que en caso de avería en una de ellas, la capacidad de la
instalación sólo se vea mermada parcialmente.
Las características de tensión y frecuencia de las mismas son las especificadas
anteriormente. En cuanto a la potencia, se selecciona de tal manera que con dos
unidades se pueda alimentar al transformador principal durante los ensayos de mayor
exigencia.
La tercera unidad tendrá menor carga de trabajo, usándose para alimentar al
transformador de ensayos secundario cuando se requiera a la vez que cumple su
función de respaldo en caso de que alguna de las otras dos unidades quede fuera de
servicio. En cualquier caso, estará conectada al embarrado de distribución para
permitir asociar cualquiera de las otras.
La potencia de cada unidad se decide tomar de manera que dos unidades tengan
capacidad para alimentar el ensayo de calentamiento del transformador más
desfavorable, es decir, transformador monofásico demandando 4 MW. A pesar de
demandar menor potencia, el caso monofásico es más desfavorable que el trifásico ya
que en el primero las unidades deben de alimentar al transformador de ensayos de
manera bifásica.
SOLUCIÓN PROPUESTA
79
Cada unidad por tanto deberá tener una potencia de aproximadamente 3,46 MW, es
conveniente recordar que ya se introdujo un factor de mayoración para que la
instalación trabajase al 75 %.
El catálogo de referencia empleado para la elección de los equipos es el de la serie de
accionamientos múltiples ACS800 de ABB [18]. Se trata de una serie de equipos
modulares diseñados para combinarlos entre sí y configurar un variador estático de
frecuencia. El empleo del mismo se justifica por la variedad de equipos disponibles
dentro de la gama y el fácil acceso a información de los mismos. Dentro de la serie, se
ha decidido emplear la serie refrigerada por líquido. En la Ilustración 35 puede verse
el aspecto de un convertidor de frecuencia estático ACS800 montado en armario y
refrigerado por líquido. Para modificar el control de los mismos se contratará a una
empresa especializada con el objetivo de que los adapte a la aplicación, obteniendo
nuevas funcionalidades la variación de la forma de onda para la supresión de
armónicos.
Ilustración 35: Convertidor de frecuencia estático ACS800[18].
Entre las distintas tensiones de trabajo, se opta por la de mayor valor posible, de
manera que se minimice la corriente nominal del equipo, reduciendo así el valor de
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
80
pérdidas en el convertidor y los transformadores empleados.
Cada unidad estará compuesta de:
Transformador de alimentación
Convierte la tensión de alimentación disponible en la Sala de Máquinas (5 kV) al
valor de la tensión nominal del convertidor de frecuencia.
Unidad de conexión
Aporta funciones de control y protección del resto de módulos del convertidor de
frecuencia.
Rectificador
Está formado por dos módulos, cada uno de ellos consiste en un rectificador no
controlado de seis pulsos. Convierte la alimentación trifásica para alimentar a un bus
de corriente continua al cual se conectan los módulos inversores.
Inversor
Está formado por tres módulos inversores conectados en paralelo, cada uno de ellos
consiste en un inversor trifásico construido con transistores IGBT. Poseen filtro de
armónicos en la salida.
Transformador de salida
Convierte la tensión de salida del inversor (690 V) al valor nominal de la instalación
(6,3 kV).
El diagrama de la Ilustración 36 muestra las partes principales de cada unidad de
generación propuesta. En la Ilustración 37 se muestra la composición del convertidor
estático de frecuencia.
SOLUCIÓN PROPUESTA
81
Ilustración 36: Diagrama de bloques, unidad de generación.
Ilustración 37: Diagrama de bloques, convertidor de frecuencia estático.
La Ilustración 38 muestra, de manera aproximada, la distribución de los elementos
que integran la unidad de generación.
Ilustración 38: Vista frontal, unidad de generación.
Los distintos equipos que conforman cada unidad de generación van montados en
armarios metálicos de manera contigua. Las dimensiones de altura y fondo son
uniformes en la serie, siendo 2000 mm y 644 mm respectivamente. Además de la
profundidad propia del armario, es necesario disponer de una distancia de 500 mm
libre para poder abrir las puertas de los mismos.
Transformador de alimentación
• 6,3 kV / 690 V
•50 Hz
Convertidor de frecuencia
estático
Transformador de salida
•5 kV / 690 V
•50 - 175 Hz
Unidad de conexión
Rectificador
2 Ud.
Bus de corriente continua
Inversor
3 Ud.
Transformador de
alimentación Unidad de conexión
Rectificador 1
Rectificador 2
Inversor 1
Inversor 2
Inversor 3
Transformador
de salida
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
82
La longitud ocupada por todos los armarios puestos de manera contigua es de 4700
mm aproximadamente. A esto debe de sumarse el espacio ocupado por los
transformadores, instaladas uno a cada lado, protegidos por una reja metálica a fin de
evitar los contactos directos.
En total, el espacio necesario en planta por cada unidad de generación es de 1200 mm
de fondo y 8700 mm de largo.
A parte de las tres unidades de generación, será necesario instalar un equipo de
refrigeración. La opción escogida es un equipo aerorefrigerante para evitar riesgo de
colonias de legionella. El espacio destinado al mismo se encuentra en el exterior de la
sala de máquinas, accesible desde el exterior de las dependencias del laboratorio de
alta tensión.
Selección de equipos propuestos
Etapa inversora
Para dotar al sistema de una mayor flexibilidad y respaldo en caso de fallos, se ha
decidido emplear tres módulos inversores. Esto permite una menor potencia por
inversor y por tanto menor reducción de la potencia disponible en caso de fallo de uno
de ellos.
La configuración escogida es tres módulos ACS800-107LC-1590-7. Con dicha
configuración se alcanza una potencia disponible de 4,78 MVA y 3,75 MW.
En la Tabla 21 se tienen las características principales del módulo inversor
seleccionado.
SOLUCIÓN PROPUESTA
83
Tabla 21: Características del módulo inversor ACS800-107LC-1590-7 [18].
Características del módulo inversor ACS800-107LC-1590-7
Rango de tensión 525 – 690 V
Rango de frecuencia < 300 Hz
Intensidad continua máxima 1334 A
Potencia continua máxima 1250 kW
Potencia disipada a refrigeración 23,5 kW
Caudal de refrigeración 39 l/min
Dimensiones (alto x ancho x fondo) 2003 x 700 x 644 mm
Masa 600 kg
Etapa rectificadora
Por las mismas razones que en el caso de la selección de los inversores se decide
configurar la etapa en distintas unidades conectadas en paralelo. El máximo número
de unidades rectificadoras recomendadas por el fabricante para conectar en paralelo
son dos.
La potencia a suministrar por la etapa rectificadora se compone de la potencia activa
entregada por la inversora mas las pérdidas producidas en la misma, lo que resulta ser
3,82 MW.
La configuración escogida es dos módulos ACS800-307LC-2150-7. Con esta
configuración se puede llegar a suministrar un total de 4,1 MW.
En la Tabla 22 se tienen las características principales del módulo rectificador
seleccionado.
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84
Tabla 22: Características del módulo rectificador ACS800-307LC-2150-7 [18].
Características del módulo rectificador ACS800-307LC-2150-7
Rango de tensión 525 – 690 V
Intensidad continua máxima DC 2200 A
Potencia aparente nominal 2147 kVA
Potencia continua máxima 2050 kW
Potencia disipada a refrigeración 12,1 kW
Rendimiento 98 %
Factor de potencia 0,93
Caudal de refrigeración 19 l/min
Dimensiones (alto x ancho x fondo) 2003 x 1000 x 644 mm
Masa 1120 kg
Transformador de alimentación
La carga a alimentar por el transformador será
En la Tabla 23 se tienen las características principales del transformador de
alimentación seleccionado.
SOLUCIÓN PROPUESTA
85
Tabla 23: Características del transformador de alimentación.
Características del transformador de alimentación
Transformador trifásico tipo seco
Tensión nominal 5 kV / 690 V
Potencia nominal 4,5 MVA
Frecuencia nominal 50 Hz
Grupo de conexión Dyn11
Impedancia de cortocircuito (εcc) 5 %
Transformador de salida
En la Tabla 23 se tienen las características principales para el transformador de
alimentación.
Tabla 24: Características del transformador de salida.
Características del transformador de salida
Transformador tipo seco
Tensión nominal 690 V / 6,3 kV
Potencia nominal 5 MVA
Frecuencia nominal 50 ~ 175 Hz
Grupo de conexión Dyn11
Impedancia de cortocircuito (εcc) 5 %
4.5 Implantación
Las unidades de generación irán instaladas en la sala de máquinas. Cada una de las
tres sustituirá a uno de los grupos generador-motor. Eléctricamente, la conexión será
la misma que la actual, cada unidad se alimentará a través de una línea trifásica desde
el embarrado principal y alimentará a los transformadores de ensayos a través de dos
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
86
líneas trifásicas que conectarán con los embarrados de alimentación a los
transformadores. De esta manera, los únicos elementos a retirar son los grupos motor-
generador:
Motor síncrono y bancada
Excitación de motor
Motor de arranque en el caso del grupo 3
Generador síncrono y bancada
Excitación de generador
Conexiones a embarrados
Además será necesario modificar parte de las zanjas por las que discurren las actuales
conexiones.
Ilustración 39: Esquema de conexión instalación eléctrica actual.
SOLUCIÓN PROPUESTA
87
Ilustración 40: Esquema de conexión instalación eléctrica tras las actuaciones.
Ilustración 41: Emplazamiento unidades de generación en sala de máquinas.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
88
4.6 Planificación
En este apartado se propone una planificación del proyecto en su fase de
implantación.
El comienzo del mismo se ha tomado a modo ilustrativo en el mes de junio del
presente año. Cada fase se compone de una serie de fases, consideradas más
importantes desde el punto de vista de la intervención en la instalación, estimándose
la duración en días de las mismas. El horizonte temporal del proyecto se ha
desarrollado tomando un horario laboral de lunes a viernes a jornada completa, dando
un resultado de 97 días de trabajo, lo que trasladado al calendario descrito supone un
total de 19 semanas y dos días, algo más de cuatro meses.
La implantación se ha definido en distintas fases, atendiendo a los grupos generador-
motor que se ven afectados en cada caso:
Fase 0: No se ve afectado ningún grupo generador-motor
Fase 1: Puesta en marcha de la unidad de generación 1 y desconexión
del grupo generador-motor 2
Fase 2: Puesta en marcha de la unidad de generación 2 y retirada del
grupo generador-motor 3
Fase 3: Puesta en marcha de la unidad de generación 3 y desconexión
del grupo generador-motor 1
Fase 4: Fin del proyecto, retirada de los grupos generador-motor 1 y
generador-motor 2 si procede.
Entre cada fase se han marcado como hitos del proyecto puntos de validación de las
fases llevadas a cabo. Tras instalar cada una de las nuevas unidades de generación,
será necesario un periodo de trabajo, empleándolas para realizar los ensayos
planificados en el Laboratorio. Estos hitos suponen por tanto un punto de análisis y
aprobación de los resultados conseguidos y de toma de decisión de continuar con el
desarrollo del proyecto.
Los criterios empleados para la organización de las distintas fases han sido
principalmente dos. En primer lugar, compatibilizar la normal actividad del
Laboratorio de Ensayos con la implantación del proyecto. En segundo lugar,
SOLUCIÓN PROPUESTA
89
minimizar los efectos de los problemas que puedan surgir, retrasos en los trabajos,
problemas de puesta en marcha, no satisfacción de las expectativas… Por ello se van
sustituyendo de uno en uno los distintos grupos generador-motor, empezando por
aquellos para los que existe respaldo, intentando que los mismos queden el mayor
tiempo posible listos para su uso a falta de conectarlos a los embarrados de la
instalación en caso de que sea necesario.
A continuación se detallan las distintas tareas contempladas dentro de cada fase, así
como una breve descripción de las mismas. También se acompañan de un diagrama
de Gantt donde se puede visualizar con facilidad el orden temporal de las mismas.
En la Tabla 25 se muestran las fechas de comienzo y finalización de cada una de las
fases, a su vez, en la Ilustración 42 se tiene una vista del diagrama de Gantt
correspondiente.
Tabla 25: Planificación, general.
ID Nombre Dur. Inicio Fin
1 FASE 0 15 1-6 16-6
10 FASE 1 25 17-6 26-7
29 FASE 2 28 31-7 8-9
50 FASE 3 18 18-9 22-10
70 FASE 4 6 3-11 10-11
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DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
90
Ilustración 42: Planificación, diagrama Gantt comprimido.
4.6.1 Fase 0
En esta fase no se ve afectado ningún grupo motor-generador. Se lleva a cabo la
instalación del sistema de refrigeración y se preparan los aspectos relacionados con
las comunicaciones de las mismas, instalación de conexiones de datos en la sala de
máquinas y entre la sala de máquinas y la sala de control.
SOLUCIÓN PROPUESTA
91
Tabla 26: Planificación, Fase 0.
ID Nombre Dur. Inicio Fin
1 FASE 0 1 1-6 1-6
2 Sistema de refrigeración 9 2-6 12-6
3 Instalación eléctrica 3 2-6 4-6
4 Instalación de equipos 3 5-6 9-6
5 Instalación hidráulica 3 10-6 12-6
6 Comunicaciones datos con sala de control 4 2-6 5-6
7 Tendido sala de máquinas con sala de control 3 2-6 4-6
8 Cuadro y tendido de sala de máquinas 4 2-6 5-6
9 Adaptación puestos de control (SCADA) 7 8-6 16-6
Ilustración 43: Planificación, diagrama Gantt Fase 0.
4.6.2 Fase 1
En esta fase se instala la primera unidad de generación. Al haber espacio libre en la
sala de máquinas, esto puede hacerse sin retirar ninguno de los grupos. Para
conectarla al embarrado de la instalación de alimentación, se desconecta el grupo
generador-motor 2. De esta manera se pueden seguir realizando todos los ensayos con
los grupos generador-motor 1 y generador-motor 3.
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DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
92
Tabla 27: Planificación, Fase 1.
ID Nombre Dur. Inicio Fin
10 FASE 1 0 16-6 16-6
11 Unidad de generación 1 25 17-6 21-7
12 Desconectar grupo G-M 2 1 17-6 17-6
13 Obra civil 5 18-6 24-6
14 Apertura de zanjas 5 18-6 24-6
15 Instalación equipos 15 25-6 15-7
16 Convertidor de frecuencia estático 1 8 25-6 6-7
17 Instalación de anclajes 2 25-6 26-6
18 Instalación de armarios 4 29-6 2-7
19 Conexiones de potencia 2 3-7 6-7
20 Transformadores 7 7-7 15-7
21 Instalación de envolventes 2 7-7 8-7
22 Instalación de transformadores 3 9-7 13-7
23 Conexión de transformadores 2 14-7 15-7
24 Puesta en marcha 4 16-7 21-7
25 Ajuste protecciones 1 16-7 16-7
26 Pruebas de verificiación 3 17-7 21-7
27 Verificación con realización de ensayos 7 22-7 30-7
28 Visto bueno 0 30-7 30-7
Ilustración 44: Planificación, diagrama Gantt Fase 1.
SOLUCIÓN PROPUESTA
93
4.6.3 Fase 2
Para continuar instalando la segunda unidad de generación, debido a la falta de
espacio, se hace necesario retirar el grupo generador-motor 3 ya que ocupa el espacio
que será ocupado por las unidades de generación segunda y tercera.
Por ello se incluyen las tareas adicionales de retirar dicho grupo así como la bancada
de hormigón dónde se asienta.
Durante esta fase, para realizar ensayos de tensión inducida, se puede emplear la
unidad de generación primera en lugar del grupo generador-motor 3.
El grupo generador-motor 1 no se ve afectado y el grupo generador-motor 2 se
encuentra disponible a falta de conectarlo al embarrado de la instalación.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
94
Tabla 28: Planificación, Fase 2.
ID Nombre Dur. Inicio Fin
29 FASE 2 0 30-7 30-7
30 Unidad de generación 2 28 31-7 8-9
31 Desconectar grupo G-M 3 1 31-7 31-7
32 Retirar grupo G-M 3 3 3-8 5-8
33 Obra civil 5 6-8 12-8
34 Retirar bancada grupo G-M 3 3 6-8 10-8
35 Apertura de zanjas 5 6-8 12-8
36 Instalación equipos 15 13-8 2-9
37 Convertidor de frecuencia estático 1 8 13-8 24-8
38 Instalación de anclajes 2 13-8 14-8
39 Instalación de armarios 4 17-8 20-8
40 Conexiones de potencia 2 21-8 24-8
41 Transformadores 7 25-8 2-9
42 Instalación de envolventes 2 25-8 26-8
43 Instalación de transformadores 3 27-8 31-8
44 Conexión de transformadores 2 1-9 2-9
45 Puesta en marcha 4 3-9 8-9
46 Ajuste protecciones 1 3-9 3-9
47 Pruebas de verificiación 3 4-9 8-9
48 Verificación con realización de ensayos 7 9-9 17-9
49 Visto bueno 0 17-9 17-9
SOLUCIÓN PROPUESTA
95
Ilustración 45: Planificación, diagrama Gantt Fase 2.
4.6.4 Fase 3
En esta fase se pasa a instalar la tercera unidad de generación, para ello se desconecta
el grupo generador-motor 1.
La capacidad de ensayos no se ve afectada, pudiéndose emplear las unidades primera
y segunda.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
96
Tabla 29: Planificación, Fase 3.
ID Nombre Dur. Inicio Fin
50 FASE 3 0 17-9 17-9
51 Unidad de generación 3 25 18-9 22-10
52 Desconectar grupo G-M 1 1 18-9 18-9
53 Obra civil 5 21-9 25-9
54 Apertura de zanjas 5 21-9 25-9
55 Instalación equipos 15 28-9 16-10
56 Convertidor de frecuencia estático 3 8 28-9 7-10
57 Instalación de anclajes 2 28-9 29-9
58 Instalación de armarios 4 30-9 5-10
59 Conexiones de potencia 2 06-10 7-10
60 Transformadores 7 08-10 16-10
61 Instalación de envolventes 2 08-10 9-10
62 Instalación de transformadores 3 12-10 14-10
63 Conexión de transformadores 2 15-10 16-10
64 Puesta en marcha 4 19-10 22-10
65 Ajuste protecciones 1 19-10 19-10
66 Pruebas de verificiación 3 20-10 22-10
67 Verificación con realización de ensayos 7 23-10 2-11
68 Visto bueno 0 02-11 2-11
69 Review, toma de decisión retirar resto grupos 0 02-11 2-11
SOLUCIÓN PROPUESTA
97
Ilustración 46: Planificación, diagrama Gantt Fase 3.
4.6.5 Fase 4
Si fuera necesario, para liberar el espacio ocupado en la sala de máquinas, se puede
proceder a retirar los grupos generador-motor 1 y 2.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
98
Tabla 30: Planificación, Fase 4.
ID Nombre Dur. Inicio Fin
70 FASE 4 0 02-11 02-11
71 Fase final 6 03-11 10-11
72 Retirar grupo G-M 2 3 03-11 05-11
73 Retirar grupo G-M 1 3 06-11 10-11
74 FIN 0 10-11 10-11
Ilustración 47: Planificación, diagrama Gantt Fase 4.
99
5 VALORACIÓN ECONÓMICA
A continuación se incluye una valoración orientativa del coste que podría suponer la
realización del proyecto en el mercado actual.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
100
Tabla 31: Valoración económica.
Concepto Ud. Coste Ud. Coste
1 Equipos y materiales
Modulo de control y alimentación 3 100.000 € 300.000 €
Módulo rectificador ACS800-307LC-2150-7 6 250.000 € 1.500.000 €
Módulo inversor ACS800-107LC-1370-7 9 350.000 € 3.150.000 €
Electrónica de control instalada en unidad de
generación 3 45.000 € 135.000 €
Embarrado de corriente continua, conexión
interna de unidad de generación 3 50.000 € 150.000 €
Transformador 4 MVA 6 100.000 € 600.000 €
Puentes de conexión en lado de 690 V de
transformador 6 3.500 € 21.000 €
Celda de transformador, enrejado para evitar
contactos 6 1.000 € 6.000 €
Conductores de media tensión 6 kV instalados,
conexión de unidad de generación con embarrados 3 90.000 € 270.000 €
Total apartado 1
6.132.000 €
2 Obra civil
Retirar grupo motor-generador 3 1 30.000 € 30.000 €
Adecuación de zanjas para conductores de 6 kV 1 60.000 € 60.000 €
Instalación de canalizaciones de datos 1 6.000 € 6.000 €
Total apartado 2
96.000 €
3 Instalación
Montaje e instalación de unidades de generación y
elementos necesarios para su funcionamiento
(parte proporcional) en fases planificadas,
incluido desplazamientos y parte proporcional de
dietas
3 65.000 € 195.000 €
Total apartado 3
195.000 €
4 Puesta en servicio
Ajuste protecciones 1 10.000 € 10.000 €
Pruebas de verificación 1 30.000 € 30.000 €
Integración con sistema SCADA 1 40.000 € 40.000 €
Curso de operación y mantenimiento a impartir en
instalaciones de cliente por técnico cualificado 1 12.000 € 12.000 €
Total apartado 4
92.000 €
Total Proyecto 6.515.000 €
101
6 CONCLUSIONES FINALES
A continuación se exponen las conclusiones de mayor importancia del proyecto.
Es necesario renovar los actuales grupos motor-generador debido a su estado de
conservación y las prestaciones superiores que requiere el Laboratorio de Ensayos.
Las condiciones de ensayo más exigentes para la alimentación se dan lugar durante la
realización de ensayos de calentamiento con sobrecarga y ensayo de vacío.
Entre las distintas tecnologías disponibles, la más apropiada para la sustitución de los
grupos motor-generador es el empleo de convertidores de frecuencia estáticos basados
en electrónica de potencia ya que se adapta mejor a las particularidades de la
actividad, destacando la gran flexibilidad para variar las magnitudes de la onda
generada y el carácter modular y versátil de los equipos.
La solución propuesta consiste en tres unidades de generación o convertidores de
frecuencia estáticos, formados por distintos equipos de la serie ACS800 del fabricante
ABB a los cuales se les modificará el control para adecuarlos a la aplicación. Al
tratarse de equipos de baja tensión, se instalarán en serie un transformador de
alimentación y uno de salida con el fin de adaptar los voltajes de la instalación a los
apropiados.
El lugar de instalación de las unidades de generación será el ocupado por los actuales
grupos en la sala de máquinas.
Para interferir lo menos posible en la actividad del laboratorio, lo más adecuado es
llevar a cabo la instalación de las unidades siguiendo una planificación formada por
cinco fases donde se intenta tener siempre la mayor disponibilidad de los grupos y
unidades de generación para la realización de ensayos.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
102
El coste total del proyecto, incluyendo equipos, materiales, obra civil, instalación y
puesta en servicio; se estima en torno a 6.515.000 €
103
BIBLIOGRAFÍA
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[2] ABB, Shell transformers (Folleto), Zurich, 2011.
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Handbook, Tercera edición ed., CRC Press, 2012.
[4] s. b. S. Por Gregers, «Wikimedia Commons,» [En línea]. Available:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAutotransformator_schemat.svg.
[Último acceso: 5 mayo 2015].
[5] ABB Spain, Transformador Acorazado ABB (Folleto), 2007.
[6] Universidad de Sevilla, Material de la asignatura: Máquinas eléctricas, cuarto
curso de Ingeniero Industrial, 2012.
[7] W. R. H. Shirish P. Mehta, «Transformer Testing,» de The Electric Power
Engineering Handbook, CRC Press, 2012.
[8] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), C57.12.00 IEEE
Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution, Power and
Regulating Transformers, 2010.
REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN
DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
104
[9] International Electrotechnical Commission (IEC), IEC 60076-1 Power
Transformers - Part 1: General, 2011.
[10] AENOR, UNE-EN 60076-1 Transformadores de potencia - Parte 1:
Generalidades, 2013.
[11] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), C57.12.90-2010 - IEEE
Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating
Transformers, 2010.
[12] International Electrotechnical Commission (IEC), IEC 60076-3 Power
Transformers - Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external clearances
in air, 2013.
[13] AENOR, UNE-EN 60076-3 Transformadores de potencia - Parte 3: Niveles de
aislamiento, ensayos dieléctricos y distancias de aislamiento en el aire, 2013.
[14] Fluppe37, «Wikimeadia Commons,» [En línea]. Available:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ADr_bushing_10.png. [Último
acceso: 5 mayo 2015].
[15] AENOR, UNE-EN 60076-2 Transformadores de potencia - Parte 2:
Calentamiento de transformadores sumergidos en líquido, 2013.
[16] ZooFari, «Wkimedia Commons,» [En línea]. Available:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AMarx_Generator.svg. [Último
acceso: 5 mayo 2015].
[17] Å. Carlson, J. Fuhr, G. Schemel and F. Wegscheider, Testing of Power
Transformers; Routine tests, Type tests and Special tests, Zurich: ABB Business
BIBLIOGRAFÍA
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5600 kW Catalog, 2011.
[19] ABB Business Area Power Transformers, Testing of Power Transformers;
Routine tests, Type tests and Special tests, Zurich: Pro Print GmbH, 2003.
[20] S. P. Mehta y W. R. Henning, «Transformer Testing,» de Electric Power
Transformer Engineering, Tercera edición ed., CRC Press, 2012.
[21] International Electrotechnical Comission (IEC), IEC 60076-2 Power
transformers - Part 2: Temperature rise for liquid-immersed transformers, 2011.
107
ANEXO: ESQUEMAS Y PLANOS
Hoja 1: Instalación de alimentación, actual
Hoja 2: Instalación de alimentación, propuesta
Hoja 3: Distribución dependencias de Laboratorio
Hoja 4: Distribución sala de máquinas, actual
Hoja 5: Unidad de generación
Hoja 6: Distribución sala de máquinas, propuesta
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