Con tantas alternativas que actualmente ofrece el mercado, la elección de un transformador adecuado requiere de un análisis riguroso dependiendo del proyecto por realizar. Éste incluye desde costos, hasta impacto ambiental y mantenimiento, por lo que hay que considerar los beneficios tanto de transformadores secos, como de líquidos
Por Jorge Oliveira
En cualquier sistema de distribución de potencia, el transformador es un equipo esencial, por lo que es importante evaluar a consciencia qué unidad necesitamos según los requerimientos del proyecto.
El transformador es un dispositivo electromagnético estático que transfiere energía eléctrica entre dos o más sistemas a una frecuencia de red constante operando bajo el principio de la inducción electromagnética.
Se trata de un equipo que gracias a su capacidad de modificar parámetros de tensión e intensidad, hace posible la generación, el transporte y el consumo de energía eléctrica a tensiones más rentables, proporcionando, además, una tensión adecuada a las características de los receptores o las cargas. Para el transporte de energía, por ejemplo, lo más eficiente es trasmitir a grandes tensiones, ya que las intensidades de corriente son menores. Lo que trae consigo la disminución de las pérdidas y la menor sección de los conductores.
Algunos de los factores más importantes por considerar en la selección de un transformador de potencia son:
- Capacidad. Se refiere a los kilowatts nominales del transformador
- Voltaje nominal. Se trata del voltaje primario y secundario del transformador
- Sistema de aislamiento. Temperatura ambiente máxima y temperatura de las bobinas
- Núcleo y bobinas. Material, forma, construcción, conductores de cobre o aluminio
- Sistema de aislamiento del devanado. Abierto, VPI, VPE o encapsulado
Además de los parámetros eléctricos, también es necesario tomar en cuenta la aplicación, así como el lugar de instalación, lo que nos permitirá definir si lo más recomendable es emplear un transformador refrigerado por aceite, o bien, un transformador seco.
Medio de enfriamiento del transformador
Un componente que hace la diferencia entre las tecnologías de los transformadores es el medio de enfriamiento. En los transformadores líquidos, las bobinas y el núcleo se encuentran inmersos en el fluido dieléctrico, que se emplea para enfriar los devanados y proporcionar un rendimiento óptimo; el más común es el aceite mineral; pero también hay otros fluidos, como aceites de silicón o hidrocarburos de alto punto de ignición.
En los transformadores secos convencionales, el aire es el medio de enfriamiento básico. Cabe resaltar que en este caso, la calidad del aire puede afectar notablemente el funcionamiento del equipo; sin embargo, en las unidades secas tipo Cast Coil, las bobinas se encuentran fundidas en una resina epóxica, lo que disminuye notablemente la influencia del medioambiente en la operatividad del equipo.
Tecnologías
En los transformadores de potencia, usualmente se han empleado los transformadores líquidos, cuyo aislamiento predominante de aceite y celulosa de papel ha proporcionado propiedades dieléctricas y térmicas satisfactorias, una relación costo-beneficio y dimensiones adecuadas y bajas pérdidas. Esta situación cambió en las últimas décadas cuando las consideraciones ambientales, los peligros ante posibilidad de fuego y el mantenimiento se transformaron en elementos de suma relevancia.
Para cubrir la necesidad de mitigar tales factores, la industria ha desarrollado transformadores aislados en líquidos con alto punto de ignición y con líquidos biodegradables, aunque también evolucionó el desarrollo de los transformadores secos.
Transformadores líquidos
Para este tipo de transformadores, el medio de aislamiento de aceite mineral ha sido lo más utilizado. Su sistema de aislamiento consiste, básicamente, en aceite y papel de celulosa.
Las unidades líquidas con aceite mineral ofrecen un costo inicial relativamente bajo, dando como resultado una relación entre las dimensiones del equipo y las pérdidas bastante atractivas. Adicionalmente, los devanados, al no estar en contacto directo con el medioambiente, permite trabajar en un medioambiente contaminado.
Si no fuese por las consideraciones ambientales, su contribución al fuego, posibilidad de fuga y su mantenimiento asociado no habría necesidad de considerar otras tecnologías. Aunque durante los últimos años, la conciencia ambiental y el costo asociado a tales factores ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías, entre ellas, la utilización de componentes menos inflamables, tales como hidrocarburos de altas temperaturas y siliconas con alto punto de ignición.
Si bien para aplicaciones mayores a los 5 megawatts ampere (MWA) ya pueden conseguirse en el mercado transformadores secos, dada la consolidación de esta tecnología, los transformadores en aceite continúan implementándose más.
Transformadores secos
Existen varios tipos de transformadores secos y sus medios constructivos varían dependiendo del fabricante:
Vacuum / pressure impregnation (VPI)
El proceso constructivo se hace por inmersión y horneado. Consiste en recubrir las bobinas con barniz (resina generalmente de poliéster) en un tanque de inmersión, alternando ciclos de vacío y presión, mientras que las bobinas son procesadas (curadas) en un horno por varias horas
El medio dieléctrico de los devanados es el aire, por lo que el medioambiente influye considerablemente en el sistema dieléctrico del bobinado; por ello, la contaminación y principalmente la humedad afectan directamente a estos equipos, lo que provoca que tengan una aplicación limitada en ambientes polvorientos o de alta contaminación y que sea necesario tener estrictos cuidados durante su almacenamiento por la posibilidad de absorción de humedad.
Desde el punto de vista de mantenimiento, realizar la limpieza de sus componentes resulta muy difícil al requerir de un mantenimiento elevado
Vacuum / pressure encapsulation (VPE)
Al proceso estándar del VPI se le añaden varias inmersiones para ”encapsular” el conjunto de la bobina; posteriormente, se realiza el recubrimiento, en este caso, con resina de silicona. Luego de este proceso, el equipo es “curado” en hornos.
Dicha tecnología fue originalmente diseñada para aplicaciones navales (ambiente marino), su proceso constructivo hace que este tipo de transformadores tenga protección ante la humedad.
Entre sus ventajas encontramos mayor capacidad de soportar choques térmicos y un peso relativamente bajo.
Sellado epóxico (Cast Coil)
Las bobinas son encapsuladas en resina epóxica en un proceso de moldeado, quedando selladas herméticamente para atribuirle una afectación ambiental cero a esta tecnología.
La resina epóxica es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o “endurecedor”, logrando el encapsulado (relleno) de las bobinas, así como un aislamiento y protección significativa para el transformador.
Algunas características relevantes son: costo inicial ligeramente más elevado, peso un poco mayor que los VPE, pero menor a los líquidos; alta resistencia mecánica, protección ante cortocircuitos y mejor comportamiento ante sobrecargas. Al momento, el desarrollo de tal tecnología abarca hasta los 36 kilowatts.
Ventajas del transformador seco
Impacto ambiental. Mayor seguridad (bajo riesgo de incendio). Gracias a los materiales retardantes del fuego y autoextinguibles, logrando un equipo con inflamabilidad reducida y emisión mínima de gases tóxicos
Ausencia de líquidos de enfriamiento. No presentan riesgos de contaminación por derrame de líquidos y reducen drásticamente su propio aporte en caso de incendio. Disminuye la contaminación tierra / agua
Instalación. Reducción de obras de construcción para instalarlo. No necesitan costosas obras de construcción, como áreas de drenaje, fosas colectoras para el aceite, rejillas de extinción y muros cortafuego, para evitar la propagación del incendio y el derrame de líquidos aislantes
Instalación interna en los edificios. Por el bajo riesgo de incendio es posible instalarlo al interior de los edificios, aunque se encuentre próximo a recintos frecuentados por personas, haciendo posible la instalación más cerca de las cargas de alimentación, con la ventaja de ahorrar costos de conexión y reducir las pérdidas en la línea de alimentación
Mantenimiento. Los transformadores secos se caracterizan por menores costos de mantenimiento, ya que el mantenimiento recomendado, aunque varía dependiendo del fabricante, consiste en una inspección visual, en un chequeo de todas las conexiones (se puede usar infrarrojos) y en llevar a cabo una limpieza en las bobinas a fin de evitar acumulación de suciedad. Su inspección se debe realizar de manera periódica, con el propósito de verificar que no se acumule polvo ni suciedad, lo que conlleva a un mínimo tiempo de parada por mantenimiento
Por otro lado, el mantenimiento preventivo para un transformador líquido incluye, además de la inspección visual, el chequeo del nivel y la temperatura del aceite, así como la verificación de que éste conserve, sin alteraraciones, las características dieléctricas propias (la rigidez dieléctrica de los aceites minerales disminuye significativamente ante la presencia de leves indicios de humedad); así como el chequeo de los mecanismo de liberación de presión.
El análisis de aceite proporciona una evaluación muy precisa de la condición del transformador.
Beneficios de los transformadores tipo Cast Coil
- Pueden funcionar en ambientes húmedos, con polvo, salinos o contaminados; también ofrecen una alta resistencia a los shocks térmicos
- Recuperación de los materiales al fin de su vida útil. La resina se considera material inerte y los devanados primarios y secundarios pueden ser fácilmente reciclados
- Reducido espacio para la instalación. Se caracterizan por una reducción de cerca del 15 % por ciento en las dimensiones y del 10 % del peso en comparación con los transformadores sumergidos en aceite, característica que reduce los costos de transporte y montaje
Elegir entre un transformador líquido o seco es mucho más difícil que hace 20 años. Los nuevos procesos de sellado en los transformadores secos han creado unidades que pueden implementarse en ambientes donde únicamente se contemplaban los transformadores líquidos.
Si bien para potencias superiores a los 5 MWA se pueden conseguir unidades secas, en su mayoría, los transformadores de altas potencias son líquidos.
Para aplicaciones de uso exterior, los transformadores líquidos son la selección predominante; sin embargo, hoy en día, los secos ofrecen soluciones competitivas.
Por su parte, con los adelantos tecnológicos (diseños computarizados), los transformadores secos son capaces de ofrecer las mismas características eléctricas que los primeros.
Con frecuencia, la compra de un transformador se basa en el costo inicial, aunque es importante estimar el ciclo de vida de la unidad, así como los costos asociados, desde la fabricación del transformador, el transporte, la puesta en servicio, el mantenimiento y aquello relacionado, hasta el fin de su vida útil.
El transformador tipo Cast Coil es una tecnología de equipos secos que provee novedosas prestaciones en mantenimiento, comportamiento bajo ambientes hostiles y características eléctricas.
Gracias al diseño que ofrecen los diversos tipos de transformadores, la distribución eléctrica logrará disminuir la tensión de una manera más adecuada, por lo que será importantes considerar las características que requiere su aplicación.
