Transformador tipo sumergible

Con el objeto de suministrar energía eléctrica segura y sin interrupción ante una inundación o eventualidad, así como evitar la contaminación visual en las construcciones, actos vandálicos a transformadores y tomas clandestinas, se ha incrementado la construcción de redes subterráneas conectadas con transformadores tipo sumergible.

Por Jorge del Arco Rivera.

En los últimos cinco años, la construcción de redes de distribución subterránea ha crecido significativamente y, con ello, el suministro de energía eléctrica confiable y segura. Simultáneamente, ha tomado mayor importancia en hospitales, comercios, zonas residenciales y escuelas que la energía eléctrica no se interrumpa o, en su defecto, que los lapsos de interrupción sean reducidos considerablemente ante una eventualidad (inundación), por lo que el uso del transformador tipo sumergible en las redes subterráneas se está volviendo una necesidad a nivel nacional.

La inversión inicial en la construcción de un sistema de red subterránea es alta si se compara con una de red aérea. En 2004, este tipo de red incursionó en la vivienda popular. Desde entonces, y debido a la alta demanda, los proyectos para este tipo de obras se realizan hoy en día más esbeltos, se implantan procesos de construcción más eficaces, se aprovechan las nuevas tecnologías y se realizan cambios en la normatividad correspondiente. Lo anterior ha permitido lograr un ahorro importante en la inversión inicial de este tipo de redes; por otro lado, la continuidad en el suministro de energía eléctrica es más eficiente con este sistema, y el costo por mantenimiento es menor después del sexto año. Todo esto aunado a que el transformador tipo sumergible reúne características de operatividad excelentes.

Definiciones
Las siguientes definiciones fueron extraídas de la Norma Mexicana NMX-J-287 ANCE (“Transformador de Distribución Tipo Sumergible Monofásicos y Trifásicos para Distribución Subterránea”) y de la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005 (“Instalaciones Eléctricas Utilización”).

Transformador sumergible. Es un dispositivo eléctrico diseñado para ser instalado en pozo o bóveda que ocasionalmente puede sufrir inundaciones, por lo cual debe ser de frente muerto y con accesorios para conectarse a sistemas de distribución subterránea.

Bóveda. Recinto subterráneo de amplias dimensiones, accesible desde el exterior, donde se colocan cables, sus accesorios y equipo, generalmente de transformación, y donde se ejecutan maniobras de instalación, operación y mantenimiento por personal que pueda estar en su interior.

Transformador de frente muerto. Aquel que no tiene partes vivas expuestas en media tensión (hasta 34.5 kV).

Transformador para sistema de alimentación radial. Aquel que está equipado con una terminal de alta tensión por fase.

Transformador para sistema de alimentación en anillo. Aquel que está equipado con dos terminales de alta tensión por fase.

Línea subterránea. Aquella que está constituida por uno o varios cables aislados que forman parte de un circuito eléctrico o de comunicación, colocados bajo el nivel del suelo, ya sea directamente enterrada, en ductos o bancos de ductos.

Equipo subterráneo. Diseñado y construido para quedar instalado dentro de pozos o bóvedas, y capaz de soportar las condiciones a  las que estará sometido durante su operación.

Equipo sumergible. Aquel equipo hermético que, por características de diseño, puede estar inmerso en cualquier tipo de agua en forma intermitente.

Hermético. Que se cierra de tal modo que no deja pasar el aire u otros fluidos.

Norma NMX-J-287 ANCE (seguridad)
Si se piensa en la seguridad de las personas (transeúnte, personal operativo y de mantenimiento), es importante asimilar los conceptos del apartado anterior para tener claro el tipo de equipo que se va a instalar en la red subterránea, de acuerdo con los requerimientos del cliente.

Tratándose de transformadores tipo sumergible, conforme a la norma NMX-J-287 ANCE, a menudo existe confusión con el equipo por instalar; es decir, si el cliente hace referencia a un equipo subterráneo, significa que no necesariamente tiene todas sus partes vivas o activas herméticas.

Las boquillas de media tensión cumplen con el concepto de hermeticidad, pero las de baja tensión pueden tener instalados conectadores tipo espada, los cuales quedan expuestos; si por alguna razón se presenta una inundación total de la bóveda, origina un alto riesgo de choque eléctrico que puede llegar a lesionar seriamente a una persona o incluso causarle la muerte, y seguramente generará una interrupción en el suministro de energía eléctrica prolongado.

Lo anterior significa que este tipo de aparatos no están diseñados para operar totalmente debajo del agua, dado que todos sus accesorios y partes que conducen electricidad se encuentran en la cubierta, o bien, pueden tener boquillas de baja tensión con conectadores intercambiables tipo recto, los cuales son herméticos. Esto lo convierte en equipo sumergible, el cual, a diferencia de un equipo subterráneo, debe tener sus accesorios externos tanto de baja como de media tensión totalmente herméticos.

El aislamiento evita riesgos eléctricos, ante una inundación de la bóveda, para las personas y la interrupción en el suministro de energía eléctrica. Por lo tanto, un transformador sumergible puede tener o no los conectadores de las boquillas de baja tensión expuestos, pero siempre los de media tensión herméticos. Dicho de otra manera, cuando el cliente requiere un equipo subterráneo, se debe dejar claro si las terminales de baja tensión son expuestas o herméticas; sin embargo, si solicita un equipo sumergible, queda por entendido que todas sus terminales que conducen electricidad deben ser herméticas.

Especificaciones de transformador tipo sumergible
Los transformadores fabricados bajo las especificaciones de CFE estarán expuestos a inundaciones, por lo que deben ser totalmente sumergibles en agua (equipo sumergible), incluyendo las conexiones para cables, equipo seccionador, fusibles internos y los accesorios externos, sin interrumpir el suministro de energía eléctrica.

Los cambios más sobresalientes en las especificaciones de la CFE vigentes (noviembre o diciembre de 2007, según sea la especificación) respecto de las anteriores (agosto de 2005) se muestran en las tablas 2, 3 y 4.

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Vale la pena mencionar que el cambiador de derivaciones ya no debe instalarse en los transformadores, de acuerdo con las especificaciones vigentes; sin embargo, al ser éste un dispositivo clave para que el suministro de energía eléctrica al consumidor sea el correcto, el instalador, contratista o cliente debe indicar al fabricante que se omita este dispositivo en el transformador teniendo pleno conocimiento de la calidad de energía que existe en la región. Si ésta no se conoce, se recomienda que el transformador se adquiera con este dispositivo.

Accesorios
La identificación de los accesorios en el transformador es de vital importancia para una adecuada instalación, operación y mantenimiento.

Características mínimas de un transformador tipo sumergible

• Frente muerto
• Configuración en anillo (seis boquillas de media tensión, dos por fase)
• 200 A, normalmente, pero puede ser de 400 A o 600 A en casos particulares, o radial (tres boquillas de media tensión, una por fase)
• Elementos de protección. Deben ser coordinados entre sí:
  • Fusible de expulsión tipo bayoneta de operación interna de elemento sencillo cuando se acompaña del interruptor de baja tensión, o de doble elemento
  • Fusible limitador de corriente de arena plata de intervalo parcial o completo, según la capacidad del transformador
  • Interruptor térmico o termomagnético en baja tensión (opcional), según sea la capacidad y número de fases del transformador
• Elevación de temperatura de los devanados de 55°C con capacidad térmica de los aislamientos de 65°C
• Boquillas de baja tensión con conectadores herméticos o expuestos, según lo requiera el cliente
• Boquillas de baja y media tensión desmontables
• La tapa debe ser a dos aguas con inclinación de 1° a 2°, para evitar la acumulación de agua y estar soldada al tanque
• En monofásicos el conectador de baja tensión es para cuatro salidas (circuitos), y en trifásicos es para ocho salidas (circuitos)
• Tanque de acero AISI-1018, AISI-1025 y ASTM A-36 o acero inoxidable grado 304 o 316 para zonas costeras o de alta contaminación
• Equipo de seccionalización
• Cumplimiento con las normas o especificaciones del producto (NOM-002-SEDE, NMX-J-287 ANCE, CFE K0000-05, CFE K0000-19 y CFE K0000-22)

Ventajas del transformador tipo sumergible

• Se aplica indistintamente en comercios, desarrollos habitacionales, áreas deportivas, hospitales, alumbrado público y escuelas, dada la seguridad y confiabilidad que se tiene comparada con otros sistemas de distribución eléctrica
• No afecta el panorama de las modernas construcciones, debido a que su instalación es totalmente oculta (en bóveda)
• Puede sumergirse totalmente en agua u otro líquido sin interrumpir el suministro de energía eléctrica
• Por su instalación, permite que sea menos afectado por los cambios climáticos y el vandalismo
• Fácil acceso para mantenimiento o para accionar alguno de sus elementos, como el seccionador, cambiador de derivaciones o interruptor de baja tensión
• Evita el uso de energía eléctrica de manera clandestina
• Se instala en bóvedas que se pueden localizar en banquetas o arroyos, optimizando el uso del espacio

Usos de la transmisión subterránea

a) Áreas urbanas densamente pobladas
b) Riveras y otros obstáculos naturales
c) Tierras o zonas protegidas o de patrimonio ambiental
d) Áreas con desarrollos o infraestructuras prestigiosas o significativas

Ventajas de la red subterránea
1)     Daños menores por fenómenos atmosféricos
2)     Gracias al uso de blindajes en los cables, se reduce la emisión de campos electromagnéticos generados
3)     Requiere menos espacio para las instalaciones de transmisión y distribución
4)     Mayor seguridad contra riesgos de descargas
5)     Elimina el vandalismo y robos tanto de materiales como de energía eléctrica

Desventajas de la red subterránea
1)     La inversión inicial de sus instalaciones es más elevada que otros sistemas de distribución
2)     Mantenimiento y reparación más complicados por costo y tiempo, aunque menos frecuente que otros sistemas de distribución
3)     Necesitan sistemas aislantes más costosos y seguros
4)     La potencia reactiva de los cables subterráneos es alta, y este efecto produce corrientes mayores y dificultad en el control de las tensiones

A fin de establecer a nivel nacional, en el área de distribución de CFE, los criterios, métodos, equipos y materiales utilizados en la planeación, proyecto y construcción de redes de distribución subterránea, que permitan lograr con la máxima economía, instalaciones eficientes que requieran un mínimo de mantenimiento, se realizan, promueven y actualizan las Normas de Distribución-Construcción-Líneas Subterráneas. Estas normas se aplican para el diseño y construcción de todos los sistemas de distribución subterránea de la CFE.

Para cualquier desviación, derivada de una situación específica no contemplada en estas normas, se debe obtener una aprobación por parte de la Subgerencia de Distribución Divisional. La descripción de los equipos, materiales y accesorios que se incluyen en estas normas son con la finalidad de proporcionar una referencia rápida para consulta. Para la construcción o fabricación de los mismos debe recurrirse a las especificaciones del producto correspondiente.

Asimismo, se deben sujetar a la aplicación de estas normas los responsables del área de Distribución que intervienen en la revisión de proyectos, supervisión de construcción y recepción de obras eléctricas, que serán entregadas a la CFE.

Dónde son aplicables estas normas
1) Desarrollos residenciales de nivel alto, medio e interés social
2) Áreas comerciales importantes que requieren alta confiabilidad
3) Áreas de ciudades o poblaciones consideradas como centros históricos o turísticos
4) Poblaciones ubicadas en áreas de alta contaminación salina, industriales o expuestas a fuertes vientos
5) Desarrollos urbanísticos con una topografía irregular
6) Zonas arboladas o consideradas como reservas ecológicas
7) Lugares de concentración masiva como mercados, centrales de autobuses, aeropuertos, estadios, centros religiosos importantes y otros
8) Avenidas y calles con alto tráfico vehicular
9) Plazas cívicas

La relación anterior no limita la aplicación de las instalaciones subterráneas en áreas no incluidas en las mismas.

Tipos de sistemas aplicables en instalaciones subterráneas (configuración en anillo)
En este tipo de configuración, el transformador puede ser energizado por dos fuentes de alimentación diferentes y formar parte de un sistema de distribución que interconecte varios transformadores entre sí. La ventaja de este tipo de configuración estriba en que, si por alguna razón alguna de las fuentes de alimentación se ve interrumpida, puede emplearse la otra fuente de alimentación, la cual da la ventaja de tener energizado y operando el transformador o los transformadores que estén interconectados entre sí, mientras es corregida la falla que causó la interrupción de alimentación.

De igual manera, si el error se presenta en alguno de los transformadores que forman parte del anillo (interconectados entre sí), el tiempo de interrupción será solamente el necesario para seleccionar y aislar el equipo con problemas, continuando energizados el resto de los transformadores.

Dos de las características particulares que distinguen a los transformadores conectados a una red tipo anillo son que tienen seis boquillas en media tensión, y cuentan con un seccionador de operación con carga del tipo anillo de cuatro posiciones o una combinación de dos seccionadores de dos posiciones.

Configuración radial
En este tipo de configuración, el transformador es conectado por una sola línea, de tal manera que es alimentado por una sola fuente. Esto indica que si por alguna razón la energía de las líneas de alimentación se interrumpe, el transformador no podrá ser renergizado en forma rápida, sino hasta que sea corregido el desperfecto que ocasionó el corte de energía.

Dos características particulares de los transformadores con configuración del tipo radial que pueden servir para distinguirlos en forma rápida son que tienen tres boquillas en media tensión y poseen un sólo seccionador de operación con carga del tipo radial de dos posiciones.

Instalación
Para la instalación del transformador tipo sumergible se utilizan bóvedas de concreto prefabricadas y normalizadas de acuerdo con la norma CFE-BMT-EOCEMAH. Estas bóvedas pueden ser de varias dimensiones, pero deben ser tales que permitan instalar un transformador tipo sumergible dejando un espacio libre horizontal suficiente para trabajar de 90 cm, sin contar con el espacio ocupado por los cables y equipo anclados a las paredes, y la dimensión vertical debe ser por lo menos de 1.8 m. Esto se establece en el artículo 923-17 (dimensiones) de la NOM-001-SEDE-2005.

Dicha NOM gobierna sobre cualquier otra norma o especificación, lo que hace obligatorio su cumplimiento. Algunos de los artículos de esta norma de gran ayuda para la instalación del transformador tipo sumergible son: 450 (Transformadores y Bóvedas), 500 (Áreas Peligrosas) y 923 (Líneas Subterráneas), entre otros.

NOTA: Las dimensiones de las bóvedas y las distancias de sus paredes con el transformador favorecen su enfriamiento, facilitan su instalación y eventual mantenimiento.

En ninguna parte de la distribución de energía eléctrica son los problemas de conexión de los conductores tan complejos como en los sistemas subterráneos, de ahí que una de las mayores incidencias de falla en la instalación de un transformador tipo sumergible, una vez trabajado bajo el agua (inundación), son las conexiones de los cables de baja tensión al conectador. En los siguientes puntos se describen las instrucciones que deben seguirse para realizar correctamente las conexiones. Para tal explicación, se considera un conectador trifásico de ocho circuitos:

1)     Identificar las partes que componen al conectador de baja tensión
2)     Tomar el conectador en su parte superior e intentar girarlo, si el alma de aluminio gira, significa que el opresor posterior no está suficientemente apretado, lo cual se corrige quitando su tapón y apretándolo con una llave Allen
3)     Identificar el calibre del cable que se va a conectar. Esto es importante para así localizar en cuál sección debe cortarse el adaptador del cable para mantener la hermeticidad del conectador. El corte deberá hacerse donde lo indica la flecha. Precaución: no debe utilizarse más de un cable por cada adaptador
4)     Retirar los adaptadores y tapones laterales de las salidas o circuitos que van a ser utilizados
5)     Cortar el adaptador una vez identificado el calibre del cable y deslizarlo a través de éste
6)     Retirar el aislamiento del extremo del cable en una longitud de entre 35 mm y 25 mm
7)     Aflojar los opresores de las salidas (circuitos) por utilizar, aplicar la pasta antioxidante con partículas de zinc a los hilos del cable e introducir el cable hasta topar con la pared interior del alma de aluminio. Después, apretar el opresor con una llave Allen, oprimiendo así el cable y con esto lograr un buen contacto. Se deberá dar un par de apriete de 10 ft/lb para conductores de calibre # 12 AWG a calibre # 3 AWG, y de 20 ft/lb para conductores de calibre # 2 AWG a 250 KCM
8)     Los cables deben acometer en forma perpendicular al conectador. Se recomienda curvar el cable de acometida por lo menos a 15 cm después del punto de la conexión de manera que este tramo sea recto, y no deben hacerse conexiones externas sin aislamiento
9)     Deslizar el adaptador del cable insertándolo con el capuchón aislante, y verificar que no existan holguras entre el adaptador y el cable. Además se debe usar una manga termocontráctil para lograr una buena hermeticidad, y evitar la entrada de humedad al interior del conectador
10)  Colocar el tapón lateral y comprobar que penetre completamente dentro de su alojamiento; además debe aplicarse un silicón dieléctrico u otro sellador repelente al agua entre el alojamiento y el tapón para mantener la hermeticidad y evitar la entrada de humedad al interior del conectador
11)  Una vez terminadas todas las conexiones, verificar que todos los tapones y adaptadores de las salidas no utilizadas estén debidamente colocados. Si alguno de ellos presenta problemas de ensamble, se debe aplicar un silicón dieléctrico u otro sellador repelente al agua entre éste y su alojamiento
12)  Precaución: la falta de algún tapón o adaptador en este tipo de conectadores representa un alto riesgo de falla en el transformador en caso de una inundación, así como provocar condiciones inseguras, lesiones a las personas o poner en riesgo la vida de éstas, en las inmediaciones de la instalación

De igual manera, el ensamble entre el conectador del transformador trifásico y la boquilla de porcelana debe contar con un cincho de nylon para asegurar la hermeticidad en la unión con la boquilla porcelanizada. Las instrucciones anteriores de instalación deben ser hechas por personal calificado.

Operación
El transformador tipo sumergible es una máquina eléctrica que se diseña y construye con las normas y/o especificaciones vigentes del producto –algunas de ellas, expresadas en este artículo, además de la NOM-002-SEDE (“Requisitos de Seguridad y Eficiencia Energética para Transformadores de Distribución”)–, por lo que sus posibilidades de error son mínimas.

Para evitar fallas o daños que disminuyan la vida útil del transformador y para poder garantizar un servicio confiable, seguro y continuo de la energía eléctrica, se recomienda tomar en cuenta los siguientes aspectos:

a) Instalar apropiadamente el transformador conforme a lo indicado en los siguientes puntos y demás prácticas que el experto técnico considere pertinentes, además de seguir la secuencia de pasos del manual de instalación del fabricante.

Antes de la puesta en servicio del transformador, es indispensable realizar y registrar las verificaciones siguientes:

i) Las características del transformador deben corresponder a las condiciones de operación requeridas (tensión de línea, capacidad solicitada, arreglo tipo radial o anillo y otros). Verificar esto en la placa de datos

ii) Comprobar que la relación de transformación esté correcta en las cinco posiciones del cambiador de derivaciones. Asegurar que el transformador no esté en corto o que alguno de sus devanados esté abierto

iii) Verificar la resistencia de los aislamientos (1 mil M? por kV a 20°C, como mínimo) y asegurar que los devanados no estén en corto entre sí o aterrizados

iv) Revisar la resistencia a tierra y comprobar que el sistema de tierras sea el adecuado para el sitio de instalación del transformador. Todos los sistemas de tierras deben tener una resistencia máxima equivalente a 10?, en época de estiaje, y 5? en época de lluvias. Todas las conexiones deben ser del tipo autofundente o comprimible. Asimismo, el conductor neutro corrido debe ser multiaterrizado para garantizar en los sitios donde se instalen accesorios y equipos una resistencia a tierra inferior a los valores aquí indicados

v) Asegurar que la conexión a tierra del transformador sea sólida

vi) Verificar que el transformador no presente fugas ni boquillas o accesorios dañados

vii) Revisar que las protecciones o accesorios incluidos en el transformador sean los apropiados conforme a las especificaciones técnicas o de coordinación requeridas

viii) Comprobar que el o los seccionadores operen libremente en todas sus posiciones

ix) Extraer la bayoneta y verificar el buen estado del elemento fusible

x) Asegurar que el pozo o bóveda donde se instale el transformador tenga las provisiones adecuadas para que el calor producido por el mismo sea eficazmente conducido al exterior. Asimismo, para que el agua circundante sea desalojada de manera natural

b) Operar el transformador siempre bajo condiciones normales y con las protecciones adecuadas. No sobrecargarlo

Advertencia: si se sobrecarga frecuentemente o por periodos prolongados el transformador, el sobrecalentamiento ocasionará una disminución de las propiedades de sus aislamientos (envejecimiento acelerado), lo cual puede provocar una falla por corto circuito, además de disminuir su vida útil.

c) Asegurar que el cambiador de derivaciones esté en la posición que corresponda con la tensión nominal del secundario o lo más próxima a ésta

d) Efectuar un mantenimiento preventivo eficaz al transformador, protecciones y sitio de instalación

Nota: El transformador debe tener las conexiones internas como las especifica el cliente, o bien, las descritas en la NMX-J-287-ANCE, indicadas en la placa de datos.

Mantenimiento
En las tablas para mantenimiento se indican las inspecciones, pruebas y especificaciones para el mantenimiento preventivo general que como mínimo se le debe dar al transformador. Sin embargo, es recomedable que se efectúen las verificaciones y acciones necesarias que indique el experto en mantenimiento, incluyendo las protecciones del transformador y sitio de instalación. Antes de realizar las maniobras de mantenimiento, asegurarse de que el transformador no esté energizado.

Las instalaciones de redes subterráneas con transformadores tipo pedestal siguen predominando en México; sin embargo, las redes subterráneas con transformadores tipo sumergible están en constante crecimiento, debido a las bondades que éstas presentan con este tipo de transformadores. Ambos tipos de transformadores, en conjunto con las redes subterráneas, tienen la peculiaridad de suministrar energía eléctrica de una manera segura y confiable al usuario, así como conectar a redes subterráneas con configuración radial o anillo y presentan los mismos elementos de protección contra fallas en el circuito de la carga, contra sobrecargas, contra fallas internas del transformador y contra daños a la red de la CFE; sin embargo, el transformador tipo sumergible no está expuesto a daños vandálicos por estar dentro de una bóveda debajo del nivel del piso, ni a choques vehiculares, como ha sucedido con transformadores pedestales instalados en aceras o estacionamientos. Además éste garantiza el suministro de energía eléctrica ante una eventual inundación en la zona, de ahí que se ve fortalecida la convicción de seguir en constante crecimiento las instalaciones de redes subterráneas con transformadores tipo sumergible.

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Ing. Jorge del Arco Rivera
Es ingeniero Industrial Eléctrico egresado del Instituto Tecnológico de Querétaro. Colaboró en el área de mantenimiento en Electroforjados Nacionales, SA de CV, y en el área de Servicios de Operación en Operadora Polynova, SA de CV. Actualmente se desempeña como ingeniero de Diseño en la Cía. Manufacturera de Artefactos Eléctricos, SA de CV, (IG); participa en diseño eléctrico y mecánico de transformadores; es auditor interno del Sistema de Gestión de la Calidad; Instructor Interno y Externo en Capacitación y Adiestramiento; funge como Docente en el Instituto de Ciencias, Humanidades y Tecnologías de Guanajuato (ICyTEG); colaboró en la revisión y actualización de normas nacionales relacionadas con transformadores.