sistemas de protección contra incendios en transformadores

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Sistemas de protección contra incendios en Transformadores de Subestación

Andrés Granero

Debido a la gran cantidad de aceite contenido en los tanques de los transformadores

ubicados en Subestaciones de intemperie, las áreas donde están instalados son

consideradas peligrosas con relación al riesgo de incendio. En este artículo nos

referimos a los sistemas de protección utilizados normalmente para limitar el peligro

de expansión del fuego, cuando un transformador se ve involucrado en un incendio, a

otros equipos adyacentes o a edificios colindantes.

Se exponen igualmente los criterios de protección considerados por las diferentes

normas internacionales más relevantes, entre las cuales pueden existir diferencias

notables de criterio, por ello, el diseñador deberá adaptarse a las normas y

reglamentos nacionales y locales de protección contra el fuego que correspondan en

cada caso.

Cuando se produce un cortocircuito interno en un transformador, la energía

desarrollada gasifica el aceite produciendo una onda de expansión, y un arco eléctrico


que por sí mismo puede, en algunos casos, llegar a romper el tanque, originando el

derrame al exterior del aceite en combustión.

Para reducir al máximo los efectos indicados, se considera en primer lugar, que la

duración del cortocircuito será muy breve, por la rapidez con que actuará la protección

eléctrica del sistema, y en segundo lugar, una vez que cesa el proceso destructivo del

arco, el aceite continua ardiendo, tanto el que sigue fluyendo del tanque como el que

ya se ha derramado en el suelo. Para eliminar y limitar la expansión del incendio, se

pueden utilizar los medios que a continuación se indican.

Comenzamos, para ello, aludiendo al párrafo 6.1 de la ITC 15 “Instalaciones eléctricas

de exterior” del Reglamento de Alta Tensión (RAT) español (letra en cursiva),

conjuntamente con el apartado 8.7.2 de la norma de obligado cumplimiento UNE-EN

61936-1 equivalente a la norma internacional IEC 61936-1:

6.1 Sistemas contra incendios

1. Se deberán adoptar las medidas de protección pasiva y activa que eviten en la

medida de lo posible la aparición o la propagación de incendios en las instalaciones

eléctricas de alta tensión teniendo en cuenta:

a) La propagación del incendio a otras partes de la instalación.

b) La posibilidad de propagación del incendio al exterior de la instalación por lo que

respecta a daños a terceros.

c) La gravedad de las consecuencias debidas a los posibles cortes de servicio.

2. Los riesgos de incendio se particularizan principalmente en los transformadores o

reactancias aislados con líquidos combustibles, en los que se tomarán una o varias de

las siguientes medidas, según proceda:

a) Dispositivos de protección rápida que corten la alimentación de todos los

arrollamientos del transformador. No es necesario el corte en aquellos arrollamientos

que no tengan posibilidad de alimentación de energía eléctrica.

b) Elección de distancias suficientes para evitar que el fuego se propague a

instalaciones próximas a proteger, o colocación de paredes cortafuegos.

Para este sub-apartado del reglamento, la norma UNE-EN 61936-1 apartado 8.7.2,

indica las siguientes distancias:

La disposición de una subestación debe ser tal que el incendio de un transformador de

potencia nominal superior a 1 MVA no cause un peligro de incendio para los demás

transformadores u objetos. Con este propósito, una distancia de seguridad G adecuada

resulta necesaria. La tabla 1 siguiente ofrece valores indicativos


Tabla 1: Valores indicativos para las distancias de seguridad de transformadores para exterior

Tipo de transformador Volumen de líquido

(l)

Distancias de seguridad G con relación

A otros

transformadores o a

superficies no

combustibles de

edificios

(m)

A superficies

combustibles de

edificios

(m)

Transformadores en

baño de aceite (O)

1000

<…<

2000

3 7,6

2000

<…<

20000

5 10

20000

<…<

45000

10 20

≥ 45000 15,2 30,5

Transformadores con

líquidos menos

inflamables (K), sin

protección mejorada

1000

<…<

3800

1,5 7,6

≥ 3800 4,6 15,2

Transformadores con

líquidos menos

inflamables (K) con

protección mejorada

Distancias de seguridad G con relación a la superficie de edificios o transformadores adyacentes

Horizontal

(m)

Vertical

(m)

0,9 1,5

Transformadores secos

(A)

Clases de

comportamiento al

fuego

Distancias de seguridad G con relación a la superficie del edificio o de transformadores

adyacentes

Horizontal

(m)

Vertical

(m)

F0 1,5 3,0

F1/F2 ninguna ninguna

NOTA: Los medios de protección mejorados significan:

- Resistencia a la rotura de los tanques

- Descompresión de los tanques

- Protección de defectos de pequeña intensidad

- Protección contra defectos de intensidad elevada

Para la protección mejorada, ver, por ejemplo, la norma Factory Mutual Global 3990 o

documentos equivalentes.

Si se instalan equipos extintores de incendios activados automáticamente la distancia

G puede reducirse.

c) En el caso de instalarse juntos varios transformadores, y a fin de evitar el deterioro

de uno de ellos por la proyección de aceite u otros materiales al averiarse otro próximo,

se instalará una pantalla entre ambos de las dimensiones y resistencia mecánica

apropiadas.

Para este sub-apartado la norma UNE-EN 61936-1, indica las siguientes dimensiones

para las pantallas cortafuegos:


Si no es posible asegurar las distancias adecuadas tal como se indican en la tabla

anterior, deben proporcionarse paredes de separación resistentes al fuego del

siguiente tamaño:

a) Paredes de separación EI 60 entre los transformadores (ver detalles en figura 1) de

acuerdo con el documento Seguridad en caso de Incendio en el Diario Oficial de las

Comunidades Europeas nº C 62/263 de fecha 28.02.1994.

- Altura: la del depósito de expansión (si lo hay), de lo contrario la del tanque del

transformador;

- Longitud: el ancho o el largo del foso de recogida, según la orientación del

transformador.

Figura 1: Paredes cortafuegos de separación entre transformadores

b) Paredes de separación EI 60 entre los transformadores y los edificios; muros de

construcción REI 90 (ver figura 2) de acuerdo con el documento Seguridad en caso de Incendio

en el Diario Oficial de las Comunidades Europeas nº C 62/263 de fecha 28.02.1994.


Las distancias G de la figura 2 corresponden a las indicadas en la tabla 1

Figura 2: Protección contra el fuego entre transformador y edificio

d) La construcción de fosas colectoras del líquido aislante.

Las instalaciones deberán disponer de cubas o fosas colectoras. Cuando la instalación

disponga de un único transformador la fosa colectora debe tener capacidad para

almacenar la totalidad del fluido y si hubiera más de un transformador la fosa debe

estar diseñada para recibir, al menos, la totalidad del fluido del transformador más

grande.

No obstante, cuando el transformador contenga líquido aislante, pero su potencia sea

menor o igual de 250 kVA, la fosa podrá suprimirse. Asimismo, también podrá

suprimirse cuando se utilice líquido aislante biodegradable que no puede derramarse a

cauces superficiales o subterráneos o a canalizaciones de abastecimiento de aguas o de

evacuación de aguas residuales.

La norma UNE-EN 61936-1 complementa este sub-apartado de la siguiente forma:

Los fosos de recogida y los depósitos colectores cuya utilización comparten varios

transformadores deben disponerse de forma que el incendio de un transformador no

pueda propagarse a otro.


Lo mismo es de aplicación a los fosos de recogida individuales conectados a los

depósitos colectores de otros transformadores; con este fin pueden utilizarse, por

ejemplo, capas de grava o tuberías rellenas de fluido. Las disposiciones que tienden a

extinguir las llamas en una fuga de fluido son preferibles, por ejemplo, un lecho de

grava (aproximadamente de 300 mm de espesor y con una granulometría de

aproximadamente 40/60 mm) extingue las llamas del aceite incendiado que se filtra en

él.

Disposición de los fosos de recogida y los depósitos colectores. Los fosos de recogida

y los depósitos colectores deben diseñarse y disponerse de alguna de las siguientes

formas:

- Foso de recogida con depósito colector integrado para la totalidad de los

fluidos (figura 3)

Figura 3: Foso de recogida con depósito colector integrado.

- Foso de recogida con depósito colector separado. Cuando hayan varios fosos

de recogida, las tuberías de drenaje pueden conducir a un depósito colector

común a todos ellos, en tal caso, este debe ser capaz de contener la totalidad

del aceite del transformador más grande (figura 4).


Figura 4: Foso de recogida con depósito colector separado

- Foso de recogida con depósito colector integrado para varios transformadores.

Este debe ser capaz de contener la totalidad del aceite del transformador más

grande (figura 5).

Figura 5: foso de recogida con depósito colector integrado común

Las paredes y los conductos asociados de los fosos y depósitos colectores deben ser

resistentes al aceite y al agua.

Debe asegurarse que la capacidad de los fosos/depósitos colectores de los fluidos

aislantes y refrigerantes no se reduce indebidamente a causa del agua que penetre en

ellos. Debe ser posible drenarlos o extraer el agua.

Se recomiendo un dispositivo simple que indique el nivel de líquido.

Debe prestarse atención al peligro de congelación.

Deben tenerse en cuenta las siguientes medidas adicionales para la protección de la

canalizaciones de agua y de las aguas subterráneas:


- Debe impedirse que los fluidos aislantes y refrigerantes rebasen la capacidad

de los fosos/depósitos/bordillos del suelo y se desborden.

- Para las instalaciones de exterior, se recomienda que la longitud y la anchura

del foso sea igual a la lngitud y la anchura del transformador aumentando un

20% de la altura del transformador en cada lado.

- Las aguas drenadas deben pasar a través de dispositivos de filtración para

separar los fluidos, a tal fin deben tenerse en cuenta sus pesos específicos

(figura 6).

Figura 6: Ejemplo de sistema para filtración agua/aceite del foso de recogida

e) Instalación de dispositivos de extinción apropiados, cuando las consecuencias del

incendio puedan preverse como particularmente graves, tales como la proximidad de

los transformadores a inmuebles habitados (Ver anexo A).

En las instalaciones dotadas de sistemas de extinción de tipo fijo, automático o manual,

deberá existir un plano detallado de dicho sistema, así como instrucciones de

funcionamiento.

Los extintores, si existen, estarán situados de forma racional, según las dimensiones y

disposición del recinto que alberga la instalación y sus accesos.

En la elección de aparatos o equipos extintores móviles o fijos se tendrá en cuenta si

van a ser usados en instalaciones en tensión o no, y en el caso de que sólo puedan

usarse en instalaciones sin tensión se colocarán los letreros de aviso pertinentes.

El proyectista deberá justificar que ha adoptado las medidas suficientes en cada caso.

Por su parte, la norma IEEE 979 en su apartado 4 indica los siguientes criterios con

relación a las protecciones contra incendios en transformadores de subestación:

4.3. Barreras cortafuegos

La tabla 2 da algunos valores típicos de transformadores. El derrame de 4000 litros de

aceite puede cubrir 157 metros cuadrados con una profundidad de 2.5 cm. Si los


sistemas de contención son inadecuados deben disponerse barreras cortafuegos para

proteger otros equipos o áreas adyacentes. Las barreras deben ser de materiales no

combustibles o resistentes al fuego y concebidas para resistir el mayor fuego esperado.

Tabla 2: Cantidades típicas de aceite en equipos eléctricos

Transformadores trifásicos Interruptores en baño de aceite

Galones de aceite con relación a MVA

Galones de aceite por tanque de interruptores trifásicos con relación a

kV

12000 o más 100 MVA o más 1000 o más 230 kV

10000 - 11999 50 – 99 MVA 500 - 999 138 kV

8000 - 9999 30 – 49 MVA

499 o inferiores 69 kV 2000 - 7999 5 – 29 MVA

1999 o inferiores 5 MVA

(1 galón equivale a 3,7854 litros)

4.4. Instalación de transformadores exteriores.

4.4.1. Separación entre grandes transformadores y edificios.

Los transformadores que contienen 7571 litros de aceite o más deben estar al menos a

6.1 metros de cualquier edificio. Las paredes expuestas del edificio deben constituir o

estar protegidas por una barrera cortafuego calculada para resistir dos horas, cuando

la separación transformador edificio este comprendida entre 6.1 y 15.2 metros. La

barrera debe extenderse en forma vertical y horizontal, de manera que cualquier

punto del transformador esté como mínimo a 15.2 metros de cualquier punto de la

pared no protegida. Si no es posible mantener estos límites deberá instalarse un

sistema contra incendios.

4.4.2 separación entre pequeños transformadores y edificios.

Deberán estar separados por las distancias mínimas mostradas en el tabla 3

Tabla 3: Separación entre pequeños transformadores y edificios

Rango del transformador

Distancia mínima recomendada al edificio

75 kVA o menos 3,0 metros

76 a 333 kVA 6,1 metros

Más de 333 kVA 9,1 metros

Si la distancia es menor a la mínima indicada, el edificio deberá estar construido con

paredes resistentes al fuego.


4.4.3. Separación entre grandes transformadores. Los grandes transformadores deben estar separados unos de otro por una distancia

libre mínima de 9,1 metros o por una barrera cortafuego con resistencia mínima de

una hora.

4.4.4. Tamaño de las barreras cortafuegos.

La altura de la barrera cortafuego debe ser al menos 30 centímetros por encima de la

pieza más alta: tanque de aceite del interruptor, tanque del Transformador y su

conservador, bornes del transformador, válvulas de alivio o de venteo, etc.

horizontalmente debe extenderse 61 centímetros a cada lado, más allá de la línea de

visión de todos los puntos de los transformadores adyacentes (figura 7)

Figura 7: dimensiones de los muros cortafuegos según IEEE 979

4.4.5. Sistemas de extinción.

Deben considerarse sistemas automáticos de extinción para todos los transformadores

enfriados por aceite, excepto aquellos adecuadamente separados de acuerdo con lo

expuesto en 4.4.1, 4.4.2, 4.4.3 y 4.4.4, o cuando se califican como transformadores de

repuesto que no se usan en el lugar donde se almacenan o transformadores con

menos de 1893 litros de aceite. Otras Recomendaciones La “Guide for Transformer Fire Safety Practices” del CIGRE (Junio de 2013) basándose

en la FM Global, “Property Loss prevention Data sheet 5-4: Transformers”, (Mayo de

2010), indica con relación a lo expuesto, lo siguiente:

FM Global, proporciona orientación sobre las distancias entre transformadores y

edificios y entre la separación adecuada y transformadores adyacentes como se

establece en las tablas 4 y 5. Estas recomendaciones se basan en el tipo y el volumen

de líquido de los transformadores, así como el tipo de pared expuesta del edificio

cercano.


Tabla 4: Recomendaciones FM Global para las distancias de separación entre

Transformadores de exterior y edificios

Fluido Volumen de

líquido (l)

Separación horizontal (m) Separación

vertical (m)

Resistencia al fuego 2 horas

Pared combustible

NO SÍ

Menos

inflamable

n/a 0,9 0,9 0,9 1,5

< 38000 1,5 1,5 7,6 7,6

> 38000 4,6 4,6 15,2 15,2

Aceite

mineral

< 1900 1,5 4,6 7,6 7,6

1900 a

19000 4,6 7,6 15,2 15,2

> 19000 7,6 15,2 30,5 30,5

Tabla 5: Recomendaciones FM Global para las distancias de separación entre Transformadores de exterior

Fluido Volumen de líquido

(l)

Separación horizontal

(m)

Menos

inflamable

n/a 0,9

< 38000 1,5

> 38000 7,6

Aceite

mineral

< 1900 1,5

1900 a

19000 7,6

> 19000 15,2

Los siguientes ejemplos proporcionados por FM Global muestran cómo se utilizan los

muros cortafuegos en diversos escenarios para proteger los equipos y edificios ante el

incendio de un transformador.

La Figura 8 ilustra cómo debe diseñarse una barrera cortafuegos para proteger dos

transformadores adyacentes. FM Global informa que la pared cortafuegos debe

extenderse al menos 600 mm horizontalmente y 300 mm verticalmente más allá de

cualquier componente del transformador que podría estar sometido a un incendio

como resultado de un fallo eléctrico, incluyendo los bornes y conservador llenos de

aceite. Esto se representa por la distancia "d" y "e", respectivamente.


Figura 8: Barrera cortafuegos para dos transformadores adyacentes

FM Global define el área favorable al viento en la que cualquier edificio estaría

expuesto al incendio. La figura 9 muestra la extensión de esta zona. La distancia "C" es

dependiente de la cantidad de aceite. Una distancia mínima de 4,6 m debe aplicarse

para volúmenes de aceite inferiores a 19.000 litros de aceite y distancias de 7,6 m para

los volúmenes de aceite superiores a 19.000 litros.


Figura 9: Zona de exposición a favor del viento en el incendio del transformador La figura 10 ilustra cómo una barrera de fuego deberá diseñarse para proteger el techo del edificio situado a sotavento de la exposición del fuego del transformador. La pared expuesta de este edificio debe tener una resistencia al fuego de 2 horas, por encontrarse dentro del área de peligro. Sin embargo, el techo del edificio también estará expuesto a este peligro, por lo tanto, la parte expuesta de la cubierta debe ser de Clase A (es decir, no combustible)..

Figura 10: Construcción de los tejados expuestos a favor del viento en el incendio de

transformadores

Dependiendo de la altura del edificio, una solución alternativa sería extender la pared

resistente al fuego 2 horas del edificio como se muestra en la Figura 11 y utilizar la

pared como una barrera cortafuegos para proteger el techo.


Figura 11: Extensión de la pared del edificio para proteger la sección expuesta

del techo

Cuando la pared expuesta del edificio es demasiado alta, sólo el área expuesta de la

pared del edificio necesita ser resistente al fuego durante 2 horas. Este área de la

pared puede determinarse como se muestra en las Figuras 12 y 13. Las distancias

horizontales y verticales "a" y "b" se toman de la Tabla 5.

Figura 12: Alzado lateral del área expuesta de un alto edificio

Figura 13: Alzado frontal del área expuesta de un alto edifici


En la figura 14 se muestra un ejemplo de diseño FM Global de un foso de recogida con lecho

de grava apaga fuegos.

Figura 14: Foso de recogida con lecho de grava

ANEXO A

Sistema de extinción de incendios de transformadores de Subestación con agua pulverizada Es el sistema más utilizado para la protección en incendios de transformadores de

intemperie. Consiste en una red de tuberías en cuyos extremos se instalan una serie de

rociadores, cuya descarga de agua finamente pulverizada abarca toda la superficie de

cada transformador. El agua se suministra por medio de una cisterna y una bomba, o

bien, por medio de una instalación hidroneumática.

El agua, como agente de extinción de incendios, se viene usando desde hace mucho

tiempo, debido a sus propiedades de enfriamiento y sofocación, dilución y emulsión. A

continuación se amplían estos conceptos:

Extinción por enfriamiento: Por su alto calor específico, el agua tiene gran capacidad

de enfriamiento. Al entrar en contacto con un material en combustión, absorbe el

calor por la transformación del agua en vapor. Al dividirse la masa líquida en partículas

finas, se aumenta y se facilita la evaporación. Por otro lado, conviene que las partículas

sean lo suficientemente pesadas para que al ser proyectadas puedan vencer la

resistencia del aire, la gravedad y el tiro térmico del aire cerca del incendio.

Extinción por sofocación: Sucede cuando las partículas de agua son transformadas en

vapor, aumentando su volumen aproximadamente unas 1700 veces. El gran volumen

generado, desplaza un volumen igual del aire que rodea al fuego, sofocándolo.

Extinción por emulsión: La emulsión se produce cuando el agua pulverizada es

arrojada con fuerza contra una superficie de aceite u otro material viscoso,

produciendo una emulsión aceite-agua.


La emulsión con líquidos de baja viscosidad es breve y se mantiene mientras el agua se

sigue aplicando, lo que a su vez produce vapor de agua sobre la superficie del líquido

inflamado.

Extinción por disolución: Este sistema de extinción sólo se produce en el caso en que

los materiales inflamables sean solubles en el agua, cosa que no ocurre en el caso de

incendio del aceite de un aparato eléctrico.

Por lo que respecta al suministro de agua, las opciones más utilizadas en subestaciones

son:

- Tanque hidroneumático de operación automática.

- Cisterna y unidad de bombeo con motor diésel de operación automática.

El primer caso forma un sistema sumamente seguro, simple, y requiere poco

mantenimiento, además de no requerir arranques periódicos para tener el sistema a

punto de operación.

El segundo caso requiere tener buena vigilancia en la existencia de combustible del

motor diésel y la carga de los acumuladores, y hacer pruebas frecuentes para asegurar

la disponibilidad del equipo en los casos de emergencia. Además, se requiere una

reserva de agua mucho mayor que se almacena en un tanque abierto o cisterna.

El funcionamiento de estas instalaciones es avisado por la reacción de detectores

térmicos o velocimétricos que accionan, en caso de necesidad, una vávula automática

que manda la alimentación de agua bajo presión a los pulverizadores. En general, la

presión necesaria suele ser superior a 6 kg/cm2 (según la NFPA americana la presión

debe ser 10,2 l/minuto/m2).

A veces, con el fin de atenuar el riesgo de congelación, las tuberías de la instalación

pueden ser mantenidas vacías de agua. En ciertos casos la instalación no es solamente

mantenida vacía sino además bajo una débil presión de aire. El agua fluye a la

instalación fija desde el momento en que la cabeza extintora (por rotura de una lámina

de cuarzo) provoca una caída de presión del aire del interior de la red de rociado. Esta

caída de presión también se suele utilizar para el aviso de la alarma al puesto de

mando.

En el diseño se suelen tomar medidas técnicas para que el tiempo comprendido entre

la apertura de la cabeza extintora y la dispersión por lanzamiento del agua pulverizada

sobre el lugar del incendio resulte inferior a 30 segundos.


Figura 15: Típico sistema de extinción por pulverización de agua en el transformador y

en el área del foso de recogida

Figura 16: Prueba del sistema de extinción por agua pulverizada en Transformador de

Subestación

ANEXO B

Sistema de despresurización del tanque del Transformador El sistema de despresurización por medio de Nitrógeno impide explosiones e incendios

de transformadores por fallos internos generados por arcos eléctricos, debido a que

permite:

• Despresurizar el tanque en milisegundos, mediante la apertura de una válvula de

despresurización rápida para aliviar la presión.


• Evita el contacto entre el aire (oxígeno) y los gases explosivos.

• Eliminar la combustión de gases explosivos mediante la inyección de nitrógeno y

como consecuencia enfriar el tanque.

Figura 17: Configuración estándar del sistema de despresurización para

transformadores de 5 a 1000 MVA

FASES DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA DE DESPRESURIZACIÓN


a) Componentes del sistema

b) Actuación de la válvula de despresurización por el aumento de presión en el interior

del tanque por avería,

c) Inyección de Nitrógeno para enfriar el tanque y expulsión de gases explosivos para

prevenir una combustión interna

d) Final del proceso, transformador listo para su reparación.

Figura 18: Fases de funcionamiento del sistema de despresurización

REFERENCIAS:

Reglamento sobre condiciones técnicas garantías de seguridad en Centrales Eléctricas,

Subestaciones y Centros de Transformación (RAT), (Real Decreto 337/2014, de 9 de

mayo),

Normas UNE-EN 61936-1 y IEC 61936-1: Instalaciones eléctricas de tensión nominal

superior a 1 kV en corriente alterna. Parte 1: Reglas communes,

IEEE 979 "Guide of Substation Fire Protection",

CIGRE, Guide for Transformer Fire Safety Practices, (June 2013),

FM Global, Property Loss prevention Data sheet 5-4: Transformers, May 2010,

NFPA 850, "Recommended Practice for Fire Protection for Electric Generating Plants

and High Voltage Direct Current Converter Stations", 2010 Edition,

sistemas de protección contra incendios en transformadores

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