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martes, 4 de febrero de 2020

Influencia del entorno medio ambiental en los transformadores secos




Como todo material, los transformadores están expuestos al medio ambiente que influye sobre su envejecimiento y su funcionamiento, las agresiones extremas, pueden llegar a destruirlos si estas se mantienen durante mucho tiempo. 

Es importante recordar algunas reglas y tomar precauciones para proteger los transformadores de las agresiones de todo tipo, tanto si el transformador está o no en servicio.

Los agentes agresivos del medio ambiente

Los transformadores, al igual que cualquier otro elemento de una instalación, sufren las agresiones físicas y químicas que dependen de la calidad de su medio ambiente. Las agresiones potenciales son:

  •  la humedad
  • la polución física (polvo, arena) y química (vapores),
  •  el viento.

Estas agresiones pueden producirse durante el almacenaje o durante el funcionamiento del transformador.

Para determinar el tipo de entorno ambiental de una instalación, es posible dirigirse al conjunto de normas IEC 60721 que tratan de la clasificación de los agentes del medio ambiente y de su severidad.

En periodo de almacenamiento:

Durante el almacenamiento, el transformador está a la temperatura ambiente. Sus materiales aislantes son susceptibles de ser atacados por la humedad ambiente:

  •  absorción de humedad por el material,
  •  condensación superficial.

Esto puede conducir a riesgos de cebado de arco en la puesta en tensión del transformador. Es conveniente, por tanto, limitar la humedad relativa por debajo del 90% durante el almacenamiento, y asegurarse de la ausencia de condensación antes de la puesta en tensión.

En funcionamiento:

El transformador puede estar expuesto a diferentes agresiones cuando está en servicio:

Fuerte humedad ambiente

A pesar de un funcionamiento de los arrollamientos a una temperatura superior a la del ambiente, una concentración muy elevada de humedad puede entrañar absorción de humedad en los aislantes y causar una disminución de sus características dieléctricas.

Polvo conductor

Si se acumulan en los arrollamientos de MT bajo los efectos del campo eléctrico pueden provocar la reducción de las líneas de fuga dieléctricas, favoreciendo el cebado del arco.

Vapores de hidrocarburos (vapores de aceite de corte, etc…)

Bajo los efectos del campo eléctrico, estos hidrocarburos se concentran alrededor de los arrollamientos de MT.

Una vez depositados en sus superficies, estos hidrocarburos pueden evolucionar químicamente a causa de la temperatura de las bobinas, particularmente en su parte superior, y formar depósitos que actúan desfavorablemente sobre los campos eléctricos superficiales de las bobinas, favoreciendo los cebamientos de arco. La presencia de estos depósitos pueden también propiciar la acumulación del polvo conductor.

Polución química

Ciertas substancias químicas originadas por polución pueden provocar modificación superficial de los aislantes por ataque químico. Este ataque químico está influenciado por ciertos factores como la humedad y la temperatura. Estas modificaciones de la superficie de los aislantes puede conducir a una degradación de las características eléctricas: modificación progresiva de la resistencia.

El polvo, la arena, la niebla salina, con el viento

Los efectos de estos agentes naturales del medio ambiente están estrechamente asociados con el viento, y a veces agravados por el viento.

Ellos pueden afectar a los transformadores de diferentes maneras:

  •  penetración de polvo en las envolventes,
  • degradación de las características eléctricas, malos contactos,
  • modificación progresiva de la resistencia,
  •  agarrotamiento o perturbaciones en los ventiladores,
  • abrasión superficial de los aislantes que pueden provocar modificaciones de resistencia con la humedad,
  • presencia de polvo conductor: se acumulan en las bobinas de MT bajo los efectos del campo eléctrico, pueden dar lugar a la reducción de las líneas de fuga y favorecer el cebado del arco,
  • obstrucción de las aberturas de ventilación.

Las atmósferas húmedas y el calor junto con el polvo químico provocan corrosión, al igual que la niebla salina.

El polvo fino es higroscópico y provocan la formación de una capa conductora en la superficie de las bobinas de MT, lo que provoca la reducción de la línea de fuga favoreciendo el cebado del arco.

Limites a respetar:

Para limitar el impacto de ciertos agentes agresivos, su severidad no debe sobrepasar los niveles siguientes:

  •  humedad relativa ≤ 90%. 
  •  dióxido de azufre ≤ 0,1 mg/m.
  •   óxidos de nitrógeno ≤ 0,1 mg/m.
  •  concentración de polvo y arena ≤ 0,2 mg/m.
  •  concentraciones de sal marina ≤ 0,3 mg/m

Estas condiciones corresponden generalmente a los entornos siguientes para centros fijos protegidos contra la intemperie (norma IEC 60721-3-3 ):

  •  zonas situadas en regiones urbanas con actividades industriales o con gran circulación.
  • Lugares sin precauciones particulares para minimizar la presencia de polvo pero que no están situados en la proximidad de fuentes de polvo.

Es necesario tener en cuenta estas consideraciones medioambientales para no disminuir la duración de vida de los transformadores, materiales que representan una gran inversión, y que con una utilización normal alcanzarían varios decenios.

Entorno térmico

Con el fin de obtener la refrigeración óptima de los transformadores, se propone a continuación recomendaciones útiles para una buena ventilación de los transformadores que conviene respetar:

  •   cualesquiera que sean las dimensiones del local
  •  que los transformadores estén equipados o no de envolvente metálica de protección.

Indicar que estas recomendaciones no son específicas de los transformadores, pero se aplican en electrotecnia en general para permitir una utilización óptima sin degradación de todo aparellaje eléctrico y evitar situaciones de sobrecalentamiento que provocan degradación de los aislantes y un envejecimiento prematuro del material.

1ª Recomendación: El principio del efecto chimenea

El aire caliente es menos denso que el aire frío y se eleva de forma natural en el aire ambiente; de forma que el aire caliente que sale del transformador en funcionamiento asciende hacia el techo del local. Una ventilación eficaz consiste en la capacidad de arrojar el aire caliente hacia lo más alto del local; para ello, una entrada de aire frío debe situarse también lo más bajo posible sobre una pared del local, y una salida de aire caliente lo más alta posible, sobre el muro opuesto.



Ventilación natural del local

Cuanta más altura libre exista por encima del transformador más importante es la cantidad de aire que asciende y por tanto mejor será la refrigeración del material.

Poner el aire frío por encima del transformador impide al aire caliente salir del aparato. La consecuencia es la elevación peligrosa de la temperatura del transformador.

Es el ejemplo típico de la climatización que se coloca encima de los aparatos calientes : aunque exista mucho fresco en el local, el transformador elevará su temperatura hasta producir alarma de la protección térmica, si está equipado de ella.

Si carece de tal protección, serán sus aislantes los que envejecerán prematuramente

2ª Recomendación: Dimensión de los locales

Una buena ventilación del local tiene como fin disipar todas las calorías producidas por los aparatos que desprenden calor (transformadores, motores, etc...) situados en él.

En efecto, en condiciones normales de servicio, los transformadores, como todos los aparatos que desprenden calor, generan pérdidas P, expresadas en kW.

Para evacuar estas pérdidas, una ventilación natural correcta del local precisa :

  •   una entrada de aire fresco con superficie neta * S (m)² situada en la parte baja de una pared del local, próxima a la base del transformador,
  • una salida de aire caliente de superficie neta* S’(m²) situada en la parte alta de la pared opuesta, si es posible en la vertical del transformador y a una altura  H (metros) con relación a la entrada inferior; la salida de aire debe ser más grande que la entrada.

 Estas superficies netas están definidas por las fórmulas siguientes:


El espacio por encima del transformador debe quedar libre hasta el techo, excepto para los elementos de conexión.

Estas fórmulas se entienden para un centro:

  •  instalado a una altura máxima de 1000 metros,
  • con una temperatura media anual de 20 ºC

Si no es posible respetar estas superficies, será necesario habilitar una circulación forzada de aire instalando:

  •  Un ventilador soplando aire frío hacia el interior, por la entrada inferior, con un caudal Q (m3/ segundo) que dependerá de las pérdidas P (kW) según la fórmula:  Q = 0,10 x P.
  • Un ventilador extractor de aire caliente hacia el exterior, instalado en la salida superior, donde el caudal Q’ (m3/seg.) será: Q’ = Q x 1,1 

Es igualmente posible combinar ambas soluciones :

  •  respetando la superficie de entrada y el caudal de salida,
  • respetando el caudal de entrada y la superficie de salida.



Ventilación natural inferior combinada con ventilación superior forzada por extractor

Aplicación de estas reglas:

·         índices de protección

Las secciones de entrada de aire fresco o de salida de aire caliente que intervienen en los cálculos precedentes son superficies netas, siendo estas superficies netas de una abertura  igual a la superficie real de la abertura, deduciendo todos los obstáculos como rejillas, barrotes, etc.

Según el índice IP de las rejillas en las aberturas de las paredes, las superficies necesarias para la sección neta  eficaz de paso de aire pueden ser importantes; a título de ejemplo: rejillas de una envolvente metálica con IP 31 perforadas al 50%.

·         presencia de otros aparatos en el local

La presencia de otros aparatos representan fuentes de calor en el local, deben tomarse en cuenta en el dimensionamiento de las superficies o del caudal de aire: las pérdidas que emiten a plena carga serán contabilizadas en P (kW).

·         Ventiladores instalados bajo las bobinas del transformador

La presencia de estos ventiladores (opción « aire forzado ») no cambia nada las reglas indicadas anteriormente: estos extraen el aire fresco de la entrada y empujan el aire caliente fuera del transformador; incluso de su envolvente metálica si existiera; este  aire caliente debe salir del local por las salidas con dimensiones adecuadas o equipadas de un extractor de aire.


3ª Recomendación: Calidad del aire

·         El polvo

El polvo que se deposita en gran cantidad en las partes del transformador juega un papel de aislante térmico: la temperatura del aparato aumenta. Es necesario realizar una limpieza regular por aspiración (y no por soplado).

Las cementeras son ejemplo de empresas plenamente afectadas por este problema.

·         La humedad ambiente

La humedad no es un factor agravante de sobre calentamiento. Pero la presencia de resistencias calefactoras en el local para eliminar la condensación debe tomarse en consideración en el dimensionamiento de los locales y de las aberturas de ventilación.

Con un local bien proyectado y suficientemente ventilado, el transformador podrá soportar las cargas a las que puede estar sometido, e incluso sobrecargas, con tal que estas sean objeto de una gestión equilibrada y conforme a las normas (IEC 60354 y IEC 60905).




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