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Seminario de TransformadoresElementos diferenciadores en Transformadores de Distribución

Lucas Poersch – Transformadores de Distribución

© ABB Group June 25, 2014 | Slide 1

Programa – Transformadores de DistribuciónTópicos

1. ABB Blumenau Brasil & Portfolio

2. Eficiencia & Costo de Pérdidas del transformador

3. Fluidos Esteres

4. Tanques Corrugados

5. Aplicación del Aluminio en Devanados


ABB Transformadores de DistribuciónUnidad de Blumenau - Brasil

ABB está ubicada en la provincia de Santa Catarina.

5 puertos a menos de 140km.

Tiene +/- 200 empleados y ocupa una zona de producción de 16 mil m2.

Capacidad para 2 mil transformadores por año.


Proceso de FabricaABB Blumenau

Procesos / tecnologías estándar en todas las fábricas de ABB

Equipos / Máquinas automáticas para mejorar la Productividad y la Calidad (siempre con seguridad)

Materiales de alta calidad para garantizar diseños optimizados


LaboratorioABB Blumenau

Laboratorio de pruebas para transformadores hasta 10 MVA

Routine tests

Type tests

Todas las lecturas y mediciones del laboratorio son automatizadas

Mayor productividad del laboratorio

Mayor confiabilidad de los resultados


CertificadosABB Blumenau

ISO 14001:2004

Gestión Ambiental

OSHAS 18001:1999

Seguridad y Salud Ocupacional

ISO 9001:2000

Gestión de la Calidad


PortfolioTransformadores de Distribución

Power: 500 kVA up to 10 MVAVoltage Class: Up to 36 kVStandards IEC, ANSI, NBRBIL: BIL 200Vector Group Y/d, Y/y, D/y, D/dTap changers DETC / OLTCInsulation Mineral & Vegetable Oil

Dis

trib

utio

n Tr

ansf

orm

ers

Power: 45 kVA up to 500 kVA


PortfolioTransformadores de distribución hasta 10 MVA 36 kV

Transformadores para SE

Industria en general (O&G, Minería, P&P, Etanol)

Compañías de distribución

Generación (Eólicas, solares)

Transformadores Sumergibles

Compañías de distribución en centros urbanos

Transformadores Padmounted

Compañías de distribución (áreas residenciales)

Generación (Eólicas y solares)


Eficiencia & Costo total de la propiedad


Transformadores de DistribuciónImpacto significante en la red

Las pérdidas en transformadores de distribución (DT) representan una parte considerable de las pérdidas totales de la red

En Europa, las pérdidas de Transmisión y Distribución representan 7% del total de la energía, con DT representando 25% de las pérdidas totales

La carga media de DT varía típicamente de 10-60%. Por lo tanto, las pérdidas en vacío pueden ser un componente importante de las pérdidas totales de los transformadores de distribución.


Eficiencia del transformadorDefinición

El costo verdadero de un transformador es la suma del precio de compra inicial más el costo de operación en su vida útil 20-30 años

Los transformadores de distribución son muy eficientes, (+98%) sin embargo utilizan una cierta energía internamente para funcionar

Los dueños y operadores deben considerar esto cuando están especificando y evaluando la compra del transformador

El costo total de la propiedad (TOC) será más que el precio de compra

)()10(10)(% 23

5

LLLNLPFkVALPFkVALEfficiency

L = carga por unidad, kVA = capacidad, PF = factor de potencia

NL = perdidas sin carga, LL = perdidas con carga


Perfil de las pérdidas del transformadorLas pérdidas totales varían según la carga en el transformador

Pérdidas en vacío son constantes y no son impactadas por la carga en el transformadorPérdidas en carga o en el devanado aumentan por el cuadrado de la carga del transformadorPérdidas en vacío superiores a pérdidas en carga para cargas abajo de 65% kVAPérdidas totales = Pédidas en vacío + Pérdidas en carga x (%kVA)2

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Losse

s (kW

atts)

% Transformer Load

Transformer Losses vs. Load

No-Load Load Losses


Costo total de la propiedadDefinición

Costo total de la propiedad (TOC) es la suma de su:

1. Precio de compra2. Costo de instalación y puesta en marcha3. El costo de operación y mantenimiento durante la vida útil (por

ejemplo, 20-30 años)

Las decisiones de compra requiere el justo equilibrio entre precio de compra y el costo futuro para operar el transformador


Diseño óptimo del transformadorMenor costo de operación

Diseño óptimo es donde la suma del precio de compra y los costos de operación (costo de las pérdidas) se encuentran en su nivel más bajo

Los menores costes de operación normalmente requiere costes de fabricación más altos

El fabricante del transformador necesita saber los costos de funcionamiento o los factores de capitalización de las pérdidas ($ / vatio) para diseñar un transformador óptimo


Costo total de la propiedadCosto de las pérdidas (COL)

Futuros gastos de funcionamiento del transformador se denominan costo de las pérdidas (COL)

COL es una función de las pérdidas en vacío y de las pérdidas en carga

El proyectista del transformador busca un diseño óptimo entre el coste de producción y las pérdidas

Para un cliente de servicios de electricidad, menores pérdidas se traduce en menores costos de operación y el aplazamiento de las inversiones en capacidad de generación, transmisión y distribución.

Costo de las pérdidas ($) = (A x NLL) + (B x LL)

A ($/W) = valor actual (factor de capitalización) el costo de pérdidas en vacío

B ($/W) = valor actual (factor de capitalización) el costo de las pérdidas de carga

NLL (W) = pérdidas en vacío del transformador

LL (W) = pérdidas en carga del transformador

Factores A y B son únicos a cada comprador del transformador incluso a su respectiva industria de ser residencial, comercial, industrial y generación.


www.abb.com/transformers selecciona ‘transformer calculators’

Costo total de la propiedad Calculadoras Web


Biodegradabilidad, seguridad y extensión de vida - Fluidos Esteres


Fluidos de Ester DieléctricosDesarrollo de un fluido alternativo

Fluidos Ésteres llegaron al mercado en la década de 1980 como una alternativa con las propiedades de seguridad contra incendios y de biodegradabilidad

Los ésteres son una clase de compuestos orgánicos que se pueden sintetizar químicamente (ésteres sintéticos) o de productos agrícolas (ésteres naturales)

La composición del éster natural viene 100% de recursos renovables

Ésteres naturales son reconocidos como amigos del medio ambiente y el fluido aislante dieléctrico "menos inflamable" por la industria

Ésteres naturales son fácilmente biodegradables en 21 días y no tóxicos


Aceite vegetal BIOTEMPPrincipales características

¿ Por que el aceite vegetal es una tendencia ?Mejor rigidez dieléctricaAumento de la seguridadExtensión de la vida útilRetrofit

Característica Aceite Mineral Silicona BIOTEMP

Rigidez Dieléctrica kV/mm 30 43 45

Viscosidad, cSt. 100°C 3 16 10



Punto de Fulgor °C 145 300 330

Punto de Quema °C 160 330 360

Coeficiente de Expansión /°C 7.55 x 10-4 1.04 x 10-4 6.88 x 10-4

Punto de Congelamiento °C -40 -55 De -15 a -25


Propiedades del Ester NaturalTeste de biodegrabilidad de 21 días (CEC L-33-A-93)

Pruebas de EPA California era por CEC-L-33-A-93 (absorción máxima de estiramiento en CH CH2-CH3) que resultó en la clasificación 98-100% biodegradable

Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico probado por la OCDE 301B (ensayo de Sturmmodificado) resultando en más de un 60% de CO2 después de 10 días, considerado legible biodegradable


Propiedades del fluido EsterPreservando la vida y la propiedad

Menos inflamable

Punto de incendio de 360°C, clasificándola como fluido dieléctrico"menos inflamable" por FM Global y UL y un "fluido K2", de acuerdo con la norma IEC 61100

Los vapores son menos volátiles que el aceite mineral

Reducción del riesgo de explosión

Se genera menos gases y por lo tanto la presión durante las fallas de arco de alta energía que reducen el riesgo de explosión y daños colaterales

Intrínsecamente seguro

Los incendios tienen más dificultades para iniciar y son auto extinguible en comparación con los aceites minerales

Sólo CO2 y H2O se producen durante, minimizando la contaminación del aire


Propiedades del fluido EsterÉsteres tienen una resistencia a la ruptura dieléctrica superior

La alta concentración de humedad puede conducir a una menor resistencia a la ruptura dieléctrica del sistema de aislamiento del transformador

Rigidez dieléctrica del aislamiento inferior puede conducir a la falla en el transformador

Fluidos éster como BIOTEMP ™ tienen una rigidez dieléctrica mucho más alta que el aceite mineral o silicona en concentraciones de humedad más altos

Con el envejecimiento de los transformadores, ellos producen agua que puede ser absorbida en concentraciones mucho más altas que el aceite mineral. Esto conduce a algunas ventajas únicas en respecto a la performance de los transformadores de fluido éster.

1 Límite aceptable de acuerdo con la norma ASTM D6871: 30 kV min

2 BIOTEMP es una marca específica de fluido éster natural vendido en el mercado hoy


Propiedades del fluido EsterPerformance del transformador mejorado

Mayor afinidad con el agua

Mayor límite de saturación de agua que el aceite mineral

4 veces la del aceite mineral en condiciones normales de funcionamiento

El papel impregnado con Ester se convierte en una barrera, reduciendo la absorción de humedad en el papel

Disminuye tasa de envejecimiento y aumenta las temperaturas del punto caliente de la bobina( hotspot)

Tasa de envejecimiento es mucho más bajo que el papel impregnado en aceite mineral

Puede operar a temperatura de hotspot 10°C más alto para la misma vida útil que el aceite mineral impregnado de papel


Envejecimiento de Papel Aislante¿Cómo definir el final de la vida?

Las características mecánicas se pierden con la edad

Envejecimiento influenciado por la cantidad de oxígeno, agua, temperatura y ácidos

Grado de medida de la polimerización (DP)Nuevo papel impregnado entre 1000-1100 DP

Final de la vida generalmente aceptado debe ser 150-200 DP

Relación de Arrhenius - tiempo contra temperatura

Disminuye la vida por 50% por cada subida de 6-7°C del punto caliente de la bobina en las temperaturas de funcionamiento 80-100°C

50% disminuida la vida tiene, otras relaciones de temperatura


BIOTEMP™ Contra el Aceite MineralPruebas de vida funcionales

ABB 4-25kVA 1 Transformadores

2 unidades en 180°C por 2500 hrs

2 unidades en 200°C por 720 hrs

IEEE C57.91 estima 180,000 horas de vida de la expectativa para el transformador bajo carga normal

Las unidades alcanzaron finales de la vida como DP del aislamiento entre 185 y 260 en el punto caliente de la bobina

Ventaja de BIOTEMP de +20°C sobre las unidades similares especificadas en comparación de la carga de IEEE

Extended life expectancy at same temperature

20°C


Propiedades del ester ¿Por qué el aceite vegetal se comporta mejor que el mineral?

BIOTEMP tiene varias características únicas dando por resultado una tasa más lenta del envejecimiento contra el papel impregnado de aceite mineral

Como el agua es eliminada por el papel cuando envejece bajo temperaturas altas…

BIOTEMP baja la concentración de humedad

BIOTEMP acepta más agua debido a su solubilidad de en agua es 4 veces más alta que aceite mineral

Transformadores llenados con aceite vegetal tendrán una vida más larga que el aceite mineral bajo mismas condiciones


Líquidos Dieléctricos del Ester Reconocido por las normas internacionales

Las normas están trabajando para incorporar los líquidos del éster y sus ventajas en los estándares

IEEE C57-154-2012High-Temperature Insulation Systems Annex B - Ester liquid and cellulose paper

IEC TS 60076-14High-Temperature Insulation Materials Revision incorporating ester fluids to be balloted in 2013

IEEE C57-147-2008Natural Ester Fluid Guide

IEEE PC57.155Dissolved Gas Analysis of natural ester fluids still in working group under development


Tanques Corrugados


Utilizados en todo el mundo por más de 30 años;

Transformador más pequeño y más ligero;

Normalmente utilizado hasta 5000 kVA;

Reduce la posibilidad de oxidación del aceite porque el aire no entra en contacto con el mismo (herméticamente sellado).

Tanque CorrugadoComparaciones


Economía de 10-15% en el costo del transporte.

Reducción de aproximadamente 10% en el consumo de aceite

Reducción del espacio para instalación del equipo.

Inexistencia de cualquiera montaje en campo (“plug and play”).

Reducción significativa en el precio de venta.

Tanque CorrugadoEconomías


Aplicación del aluminio en devanados


Aplicación del aluminio en devanados Comparación aluminio y cobre

Afirmación Verdadero Falso

Transformadores con cobre son mas pequeños que los de aluminio; X

Transformadores con bobinado de aluminio son mas ligeros que los de cobre; X

Transformadores con bobinado de cobre soportan mejor las fuerzas de corto-circuito; X

Transformadores de aluminio tienen perdidas mas altas; X

Transformadores con aluminio calientan mas que los de cobre porque la conductividad

térmica es menor; X



Característica Aluminio Cobre Tema

Conductividad eléctrica

36.6 x 106 W-1m-1 59.6 x 106 W-1m-1 Se cree que la inferioridad de la conductividad del aluminio, considerando el hecho de que el aluminio tiene solamente 61% de la conductividad del cobre, causaría pérdidas más altas en los transformadores

Diseño ABB

Para guardar la temperatura por debajo del grado de aislamiento, el diseño de ABB utiliza conductores con una área de 63% más grande que el cobre.

Con el incremento de la sección transversal del aluminio, las pérdidas resistivas serán las mismas que en los arrollamientos de cobre.



Característica Aluminio Cobre Tema

Conductividad térmica

237 W/(m.K) 401 W/(m.K) El cobre conduce mejor el calor, reduciendo el punto más caliente del devanado.

Diseño ABBEsto es verdad solamente cuando se comparan arrollamientos de cobre y aluminio de tamaño, geometría, y diseño idénticos.

A fin de igualar la eficiencia térmica, a ABB utiliza la área superficial, geometría del arrollamiento, conductos de refrigeración, y la forma del conductor para producir gradientes de temperatura aceptables sin importar el material del arrollamiento.


Aplicación del aluminio en devanados Conclusiones

Conclusiones

Diseños en aluminio pueden obtener pérdidas iguales que el cobre. Considerando que las pérdidas son iguales para una misma base, no hay razón práctica para pensar que un diseño sea más eficiente que el otro.

En resumen, es mas ventajoso para el cliente dejar libre la elección del tipo de material del bobinado al proponente, que intentará siempre optimizar los diseños de acuerdo a las características solicitadas, siempre considerando la disponibilidad y los costos de los materiales en el mercado.


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