Impacto de los esfuerzos mecánicos externos sobre los transformadores

Este artículo tiene por objeto describir y explicar el impacto de los esfuerzos mecánicos "externos" sobre los transformadores, es decir aquellos que no resultan de su funcionamiento eléctrico, pero pueden ser debidos al transporte, a la manutención, a la instalación de los aparatos, y a fenómenos naturales tales como los seísmos.

El resultado de este análisis permitirá concretar las precauciones a tomar:

• En el momento del proyecto de los transformadores,
• En el momento de su manipulación,
• Sobre el lugar de instalación.

Sólo un producto específicamente estudiado podrá responder a este tipo de esfuerzos.

Deberán conocerse y cuantificarse antes del estudio del material, y solicitarse en el momento del pedido ya que implica una fuerte repercusión en el precio del transformador.

Las solicitaciones mecánicas

Los golpes en el transporte y la manipulación

Normalmente, el transformador es transportado por camión, tren, barco o incluso en avión.

En estas condiciones, un transformador puede estar sometido a golpes en su manipulación.

Estos sucesos están normalizados según la norma NF H 00-060 de Junio de 1991, y simulados por ensayos realizados en laboratorio, tales como:

• Caída vertical del material por desequilibrio desde una altura de 20 cm,
• Choques horizontales en un plano inclinado con velocidad de impacto de 1,85 m/s.

Las vibraciones

Ciertas aplicaciones generan solicitaciones mecánicas o vibraciones a las cuales está sometido el transformador.

Estas vibraciones deben estar definidas en las especificaciones suministradas por el usuario:

• En amplitud y frecuencia,
• O en aceleración y frecuencia.

En el caso de vibraciones lineales sinusoidales, la relación entre aceleración, frecuencia y desplazamiento viene dada por la relación:

                                                               G = 4.π².F².D / 9,81

donde :

F es la frecuencia  en Hertz,

G es la aceleración de cresta en g (g = 9,81 m/s²),

D es el desplazamiento de cresta en metros.

Las vibraciones de frecuencia baja son las más peligrosas para la resistencia mecánica de los aparatos según los niveles de aceleración, porque producen desplazamientos muy importantes.

Ejemplos para una aceleración de 0,5 g:

• a 3 Hz: desplazamiento de 28 mm de cresta a cresta,
• a 30 Hz: desplazamiento de 0,28 mm de cresta a cresta.

Estas vibraciones van a implicar mecánicamente las diferentes partes que compone el transformador: circuito magnético, bobinas, envolvente de protección y accesorios diversos.

Caso de resonancia

Conociendo el tipo de solicitaciones, podemos definir la respuesta de los componentes del transformador. Es necesario verificar que los subconjuntos no amplifiquen las solicitaciones de una manera peligrosa para el equipo (caso de las resonancias).

Para un sistema mecánico lineal de primer orden, la frecuencia de resonancia Fr es:

donde:

M es la masa del subconjunto en kg,

K es la relación elasticidad / rigidez de la fijación en N/m. Es la relación entre el esfuerzo y el desplazamiento debido a la deformación del soporte.

Se comprueba que si la masa de la bobina aumenta, la frecuencia de resonancia baja. Para evitar que la frecuencia de resonancia sea demasiado baja, hay que aumentar la rigidez de las fijaciones, para fortalecer las estructuras de mantenimiento y de sujeción.

Vibraciones de transporte:

Son simulados por ensayos sobre mesa vibrante según la norma NF H 00-060 de junio de 1991:

• Ensayo de una duración de 30 minutos, entre 3 y 4 Hz, con una amplitud de cresta a cresta horizontal de 6 mm, y vertical de 15 mm.
• Ensayo de una duración de 30 minutos, entre 4 y 5 Hz, con una amplitud de cresta a cresta horizontal de 6 mm, y vertical de 15 mm.

Efectos de los soportes antivibratorios

Los soportes antivibratorios (o soportes elásticos) pueden ser utilizados para reducir eficazmente los ruidos transmitidos por el suelo por él transformado: índice de transmisión de la fundamental del ruido (100 Hz) del orden del 5 %.

En cambio la utilización de soportes antivibratorios, para limitar vibraciones transmitidas al transformador, debe ser objeto de un estudio detallado teniendo en cuenta el espectro de las aceleraciones especificadas. Para vibraciones de frecuencia baja (inferiores a 30 Hz), puede producirse la amplificación de la vibración con riesgo de resonancia, lo que puede dañar la instalación.

Transporte y manutención

Transporte

A los choques y vibraciones de transporte se añaden las presiones debidas a las aceleraciones sufridas por el material en curso de desplazamiento:

• Aceleraciones longitudinales debidas al arranque y el frenado de vehículos de transporte (hasta 0,5 g),
• Aceleraciones transversales en el momento de los cambios de dirección del vehículo.

Para limitar el impacto de estas fuerzas vinculadas con el transporte, el transformador debe estar colocado con su eje longitudinal paralelo al sentido de la marcha.

Para evitar el balanceo, debe estar sujeto firmemente sobre él chasis del camión, con la ayuda de cinchas tensas.

Para prevenir desplazamientos, debe estar bloqueado a nivel del bastidor con la ayuda de calas clavadas o atornilladas sobre el piso del camión.

Además, para tener en cuenta las vibraciones de los bobinados en servicio, puede previsto  en el proyecto del transformador el refuerzo de las calas o sujeciones de los arrollamientos de MT encapsulados.

Este refuerzo se realiza doblando, incluso triplicando el número de las calas o calzos de mantenimiento de cada arrollamiento de MT.

Esta solución se aplica normalmente cuando las masas de los arrollamientos son considerables, y sistemáticamente en caso de embalaje marítimo.

Embalaje rígido

El embalaje rígido participa en la protección de la integridad mecánica del transformador durante el transporte. El embalaje propuesto debe haber sido probado ensayado previamente conforme a la norma NF H 00-060.

Las recomendaciones usuales de embalaje están vinculadas a las condiciones de transporte:

Ejemplos de aplicación

Pórticos portuarios

El transformador será fijado y estabilizado sobre su plataforma soporte, para mejorar su resistencia a las solicitaciones transversales, con la ayuda de anclajes entre su lado superior y su bastidor de fijación a esta plataforma.

Las sujeciones o calas de las bobinas MT serán reforzadas para tener en cuenta las vibraciones en servicio.

Eólicos

El diseñador del motor eólico especifica la posición del transformador en el eólico, así como el espectro de las vibraciones a los cuales estará sometido el aparato. El nivel de vibración en él mástil es relativamente débil con relación al producido a nivel de la barquilla, donde están colocados generador, caja reductora y hélice.

La concepción del transformador debe tener en consideración el nivel de vibración indicado adaptando la resistencia mecánica de sus diferentes órganos.

Resistencia sísmica

Las dos normas internacionales utilizadas en transformadores para la resistencia sísmica son: La IEEE 693­2005, “Práctica recomendada para el diseño sísmico de subestaciones” y  la IEC 61463, “Bornas: calificación sísmica”, las bornas que cumplen los requisitos de la IEEE 693 también cumplen, en la mayoría de los casos, los de la norma IEC 61463.

La zona geográfica de la instalación del transformador puede estar situada en zonas de actividad sísmica, localizadas sobre el mapa mundial siguiente.

Los 4 tipos de zona sísmica citadas hacen referencia a la escala Mercalli siguiente, cuya intensidad va de 1 a 12. en función de fenómenos físicos comprobados.

Zonas de actividad sísmica en el mundo

Estas zonas sísmicas corresponden a sucesos previstos con un determinado nivel de intensidad, según observaciones efectuadas sobre un período de 200 años.

La resistencia del material a los esfuerzos mecánicos generados por estos fenómenos tiene límites que pueden ser rápidamente sobrepasados, si no han sido previstos en el proyecto la adaptación de los componentes del transformador. De aquí la importancia de conocer la zona de instalación del transformador en la especificación del mismo.

Las disposiciones de utilización habitualmente recomendadas están en función del tipo de zona:

Zona 1 y 2:

Ninguna disposición particular. La instalación estándar sobre las ruedas del transformador es suficiente.

Zona 3:

Hay que prever un anclaje del transformador al suelo, al nivel de su bastidor.

Las ruedas serán reemplazadas por uno o varios soportes metálicos de la misma altura, fijados sólidamente en el suelo y sobre los cuales el bastidor será atornillado.

Zona 4:

Si la especificación del usuario precisa la resistencia sísmica requerida en el lugar de instalación del transformador, habrá que prever:

• Un fortalecimiento de las sujeciones (calas) de las bobinas de MT, que serán dobladas o triplicadas,
• Un anclaje del bastidor en el suelo,
• Un apoyo entre el lado superior del aparato y su chasis,  por armaduras atornilladas con sistemas que impidan aflojarse.

No hay que olvidar además la protección del material frente a estructuras cercanas (edificios, equipos vecinos) que deben presentar el mismo nivel de resistencia al riesgo sísmico.