Nuevos materiales en los arrollamientos de Transformadores de Potencia

Las investigaciones destacan la búsqueda de propiedades específicas orientadas a alcanzar la eficiencia global del proceso en aspectos como la resistencia a altas temperaturas, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, así como eficiencia energética a la par de la reducción del peso,  la densidad, o bien, la capacidad  conductora  de electricidad ampliada. Específicamente tratándose de transformadores de potencia las mejorías en las características de los materiales y accesorios  necesariamente serian del material del núcleo, los conductores, aislamientos sólidos, líquido aislante/refrigerante, acero estructural y accesorios.

Una de las perspectivas más próximas en el tiempo consisten en el cambio de proyecto, y en esta línea uno de los grandes fabricantes de equipos eléctricos anuncia la fabricación de un nuevo  tipo de transformador de alta tensión sin aceite (seco)  transformador Dryformer, proyectado en primer lugar para tensiones del primario de 36 a 145 kV y potencias nominales de hasta 150 MVA. Este difiere de los transformadores convencionales en el tipo de arrollamiento que estará formado con conductores circulares aislados por polímeros y capas semiconductoras (figura 1).

Figura 1: Constitución del conductor circular

En los transformadores de potencia convencionales se utilizan conductores rectangulares en los arrollamientos con el fin de maximizar la intensidad nominal. Esto da lugar a una distribución del campo no uniforme, con una alta intensidad del campo magnético en las esquinas. Para reducir al mínimo las pérdidas por corrientes de Foucault en el arrollamiento, los conductores deben ser transpuestos de forma muy elaborada a lo largo del arrollamiento. En la zona final del arrollamiento deben tomarse también medidas muy complejas para controlar el campo eléctrico y evitar las descargas parciales.

De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, los conductores cilíndricos utilizados en los arrollamientos del transformador Dryformer distribuyen el campo eléctrico de manera uniforme (figura 2).

Figura 2: Comparación entre conductores circulares y rectangulares: de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, con los cables XLPE redondos (izquierda) la distribución del campo eléctrico es uniforme, no existiendo descargas parciales (a la derecha conductores aislados con papel).

Otra ventaja de los conductores redondos es que no existen aristas de pequeño radio, como ocurre en los conductores rectangulares, que limiten las intensidades máximas admisibles del campo magnético.

El aislamiento de aceite/celulosa de los arrollamientos rectangulares convencionales no permite alcanzar tales intensidades de campo.

El cable dispone de una capa semiconductora exterior que permanece al potencial de tierra.

El campo eléctrico queda, por tanto, totalmente confinado en el interior del cable, brindando a los fabricantes de transformadores toda una serie de nuevas posibilidades para el diseño eléctrico y mecánico.

Cable

Como ya se ha mencionado, los arrollamientos utilizados en el transformador Dryformer están formados por un cable aislado similar a los cables convencionales con dieléctrico sólido de alta tensión. Alrededor del conductor existe una capa semiconductora interior, seguida por un dieléctrico sólido y una capa semiconductora exterior. El dieléctrico sólido es de polietileno reticulado (XLPE).

El conductor, normalmente del tipo de ‘cableado concéntrico’, dispone de un hilo central circundado por capas concéntricas de 6, 12, 18,24, 30, 36 y 42 hilos nominales. Cada capa se aplica según direcciones alternas de cableado.

La capa semiconductora exterior del cable permanece al potencial de tierra, lo cual tiene varias ventajas. En primer lugar, no existe peligro de que se produzca descarga parcial o efecto corona en ningún punto del arrollamiento.

Segundo, la seguridad del personal mejora de forma substancial, ya que todas las superficies expuestas del transformador están al potencial de tierra.

Puesto que el campo eléctrico queda totalmente confinado en el interior del cable es posible tratar uno a uno los parámetros de proyecto, tales como la distancia entre arrollamientos y la distancia entre arrollamientos y partes conectadas a tierra. Al reducirse al mínimo las distancias, todo lo que ha de tener en cuenta el ingeniero proyectista es el espacio necesario para garantizar una refrigeración suficiente.

El transformador Dryformer, además, elimina uno de los aspectos más críticos del proyecto de transformadores convencionales: la necesidad de tomar medidas que limiten la influencia del campo eléctrico en las partes conectadas a tierra. Puesto que la distribución está totalmente confinada en el interior del cable, no es necesario controlar el campo eléctrico en la zona final del arrollamiento, al contrario de lo que ocurre en los transformadores convencionales, tanto de tipo seco como de tipo de baño de aceite.

La tensión inducida en un transformador de potencia aumenta gradualmente a lo largo del arrollamiento de alta tensión, desde el lado del neutro hasta el lado de la línea, cuando el transformador es conectado a un sistema puesto directamente a tierra. Por lo tanto, el cable utilizado en el arrollamiento de alta tensión está sometido a diferentes esfuerzos eléctricos a lo largo de dicho arrollamiento. Una solución viable es, por tanto, utilizar un aislamiento de menor espesor en las primeras vueltas del arrollamiento e ir aumentando el espesor. Una forma de conseguir esto es utilizar diferentes dimensiones de cable a lo largo del arrollamiento, lo que permite aprovechar mejor el volumen del núcleo del transformador.

FUENTE:

ABB: Dryformer, nuevo transformador de potencia, sin aceite y de bajo impacto medioambiental