Inversores de redes: Problemática y precauciones (Parte 1ª)

El corte de la alimentación eléctrica, aunque sea pasajero, es hoy en día un handicap importante, tanto para las industrias cuyo proceso de fabricación no soporta paradas, como para los edificios de gran altura, cuyos circuitos de seguridad deberían estar siempre operativos.

Así, la conmutación de fuentes normales de alimentación sobre fuentes de sustitución o de emergencia, ha pasado a ser una operación cada vez más utilizada en la distribución eléctrica, tanto pública como privada.

Los dispositivos de conmutación de fuentes se utilizan para asegurar la continuidad de la alimentación de ciertos receptores prioritarios, por motivos de seguridad de personas o para mantener un ciclo de producción. El mecanismo de conmutación actúa o por un fallo en la alimentación principal, normalmente en servicio, o por una orden voluntaria.

Estos dispositivos se usan especialmente:

·         para la alimentación:

o   de ordenadores,

o   de edificios de gran altura,

o de alumbrado y sistemas de emergencia y seguridad: balizas de aeropuertos, locales de pública concurrencia, etc.,

o   sistemas auxiliares esenciales de centrales térmicas,

o cadenas completas de fabricación cuyo proceso no soporta ninguna parada temporal de ningún elemento de la cadena (siderurgia, petroquímica, etc.),

·         en la distribución pública de MT para:

o   conmutación de líneas y de transformadores AT en centros de transformación,

o   alimentación, en doble derivación, de centros de transformación MT (U ≤ 50 kV) / BT (U ≤ 1 kV).

Los equipos que se instalan para realizar la aparamenta de conmutación son muy variados, por ejemplo, en los circuitos de potencia, los aparatos de maniobra o inversores de redes pueden ser contactores electromagnéticos o estáticos, interruptores automáticos o interruptores, y esto tanto en baja como en alta tensión.

El mando de estos aparatos puede ser:

• manual: es la disposición más elemental y económica. Requiere la intervención del operario de la explotación; la duración de paso de la fuente que falla a la fuente de sustitución o de emergencia puede ser muy larga (el operario tiene que desplazarse),
• automático: es el dispositivo más rápido y el más utilizado.

Sin embargo, el esquema de principio puede, en la mayor parte de los casos, reducirse a la alimentación normal, una alimentación de sustitución o de seguridad y un juego de barras que es el punto común de las dos alimentaciones a partir del cual se alimentan los receptores.

Figura 1: Esquema de principio de conmutación de redes

Tipos de conmutación

Normalmente se utilizan tres sistemas de conmutación de fuentes:

•  síncrona: duración de transferencia: nula (ejemplo: acoplamiento de generadores),
• con corte: duración de transferencia: 0,2 a 30 s, (ejemplo: función de conmutación normal/emergencia en BT),
• pseudo-síncrona: duración de transferencia: 100 a 300 ms, (ejemplo: reaceleración en marcha de motores asíncronos).

Toda conmutación debe estar precedida por el cumplimiento satisfactorio de un cierto número de condiciones, algunas de las cuales obligan a tomar precauciones especiales.

Problemática que presenta la conmutación y precauciones

Para realizar la instalación de un sistema de conmutación de fuentes que responda adecuadamente a las exigencias de continuidad de servicio exigidas por el usuario, ya desde la fase de diseño, hay que estudiar detenidamente ciertos aspectos para tomar precauciones especiales:

1.  la presencia de un defecto de red aguas abajo,
2. las características de la fuente de sustitución,
3. la elaboración de las órdenes de conmutación,
4. la ausencia de tensión durante el tiempo de conmutación (caso de una conmutación no síncrona),
5. el enclavamiento mecánico de los aparatos de maniobra entre sí, tanto en BT como en AT,
6. la resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra (en AT). 

1.- Presencia de un defecto en la red aguas abajo

Cuando un defecto situado aguas abajo del punto de conmutación ha provocado la apertura de la alimentación normal, se recomienda no conmutar las fuentes de alimentación. En este caso hay que bloquear el circuito de mando del dispositivo de conmutación, mediante una orden proveniente del sistema de protección de la red aguas abajo.

2.- Características de la fuente de sustitución

La potencia nominal, la potencia de cortocircuito, las impedancias de las conexiones y el régimen de neutro de la fuente de sustitución pueden ser muy diferentes de los de la fuente principal. Así por ejemplo, la fuente principal puede ser un transformador de 800 kVA, 400 V, 50 Hz, Icc = 20 kA y en cambio, la fuente de sustitución puede ser un grupo electrógeno de 200 kVA, Icc = 1 kA en régimen transitorio.

Por tanto, las protecciones contra los defectos entre fases y fase-tierra de la red de emergencia pueden, en ciertas condiciones, no funcionar adecuadamente cuando la red de distribución se alimenta desde la fuente de sustitución (o de emergencia).

Luego, para encontrar un sistema de protección compatible con las características eléctricas, los sistemas de explotación y de mantenimiento de las dos fuentes de alimentación, hay que hacer un estudio muy cuidadoso de las protecciones. Hay que destacar especialmente dos casos: la «reaceleración al vuelo» de varios motores y la alimentación de varios transformadores reductores cargados.

·         red de distribución con varios motores

Si la potencia de la fuente de sustitución es baja, después de la conmutación de la fuente principal sobre esta fuente de sustitución, es necesario limitar la corriente de conexión y de servicio permanente.

Para esto hay que proceder a:

• una desconexión de parte de las cargas,
• un rearranque escalonado de los motores para volver a conectarlos, si ha habido una interrupción.

Sin estas precauciones y teniendo en cuenta la menor potencia de la fuente de sustitución, las caídas de tensión serían prohibitivas y los motores no podrían acelerar (par motor menor que el par mecánico resistente),

·         conexión de varios transformadores reductores en la red de distribución aguas abajo

Cuando la conmutación se realiza en AT, hay que tener en cuenta las corrientes de conexión de los transformadores AT/BT que suelen ser del orden de 10 a 15 veces su corriente nominal. En efecto, si la fuente de sustitución es un grupo electrógeno BT, su alternador no puede proporcionar corrientes tan elevadas a tensión nominal y se comportan como si alimentara un cortocircuito. Por tanto, la tensión que proporciona durante los primeros instantes de la conmutación es muy baja, lo que no facilita en modo alguno el rearranque de los motores. Por esto es preferible desconectar todos los transformadores-reductores lado AT antes de la conmutación para después irlos conectando escalonadamente.

3.-  Elaboración de las órdenes de conmutación

Son los controles de tensión los que originan las órdenes de conmutación:

• corte de tensión de la alimentación normal (o principal) para mandar, si la fuente de sustitución es un grupo electrógeno, el arranque de su motor,
• presencia de tensión estabilizada en la salida de la fuente de sustitución, para ordenar el paso de la carga a la fuente de sustitución,
• presencia de tensión en la alimentación normal, para volver a la situación normal.

Las órdenes de conmutación

·         Para el paso de la fuente principal a la fuente de sustitución

Un corte o una bajada de tensión de la alimentación principal pueden ser:

o   permanente, a continuación de:

            -        un disparo de un aparato de protección aguas arriba,
-   una sobrecarga importante de la red que provoca una gran bajada de tensión,

            -        etc.

o   pero también transitoria, debida a:

       -      la actuación de los automatismos de reenganche, rápido o lento, de las líneas aéreas del distribuidor,

    -   un cortocircuito entre fases, eliminado normalmente por los dispositivos de protección,

          -        etc.

Por tanto, la actuación del detector de falta de tensión de la fuente principal deberá ser generalmente retardada para evitar ordenar la conmutación de fuentes cuando hay un corte o una bajada de tensión transitoria.

Además, si la fuente de sustitución está constituida por un grupo electrógeno, cuya orden de arranque se da precisamente cuando no está la tensión principal, hay que esperar a que se estabilice la tensión de grupo antes de dar la orden de conmutación (algunos segundos).

·         Para el paso de la fuente de sustitución a la fuente principal

El retorno de la tensión de la fuente principal puede estar precedido por intentos de reenvío de tensión a la línea principal, necesarios para:

• localizar un defecto,
• realizar un bucle de fuentes después de un incidente,
• efectuar ensayos después de una reparación o modificación de la línea principal.

La acción del detector de presencia de retorno de red de la fuente principal tendrá que tener una temporización muy larga (algunas decenas de segundo a varios minutos).

Nota:

a) los dispositivos que permiten pasar de la fuente principal a la fuente de sustitución, sin retorno automático a la fuente principal después de la reaparición de la tensión de ésta, suelen llamarse conmutadores,

b) los dispositivos con retorno automático a la fuente principal suelen llamarse inversores normal-socorro.

Dificultades en la detección de la falta de tensión en la alimentación normal

·         mantenimiento de la tensión en la red de distribución al producirse un corte en la red de alimentación

Al cortarse la alimentación, la tensión en la red de distribución puede ser mantenida por:

• la tensión residual que «devuelven» los motores asíncronos, en proceso de ralentización durante un tiempo aproximado de 0,3 a 1 s,
• la tensión inducida en los bornes de los motores síncronos en proceso de ralentización,
• la tensión debida a la descarga de los condensadores que pueda haber conectados a esta red.

Al mantenerse la tensión por los motivos citados, no es posible efectuar una conmutación rápida de fuentes, puesto que los dispositivos convencionales simples, como los relés voltimétricos de tensión mínima, no pueden detectar rápida y eficazmente la ausencia de la tensión principal.

• cortes de tensión transitorios en los que no deben actuar los dispositivos de conmutación

Estos cortes los origina la actuación de los automatismos de red, como son los reenganches rápidos o lentos, el cambio o conmutación de transformadores o de líneas AT en los centros de transformación AT, etc.

En las redes BT sucede lo mismo, debido a caídas de tensión excesivas provocadas por sobreintensidades transitorias (defecto entre fases o fase-tierra eliminado por las protecciones selectivas de la red, arranque de grandes motores, etc.).

•  elección y cableado de los detectores, con:

            o   un solo relé monofásico

Generalmente, cuando hay un único relé monofásico de detección, se conecta entre dos fases de la entrada normal. En este caso, puede producirse un fallo de la otra fase sin que lo «vea» el relé; por tanto, no habría conmutación y la alimentación de los receptores sería defectuosa.

Para que este sistema sea satisfactorio, no ha de ser posible que la alimentación trifásica pueda funcionar inadecuadamente con sólo dos de las fases, de ahí el empleo de protecciones, como interruptores automáticos tripolares o fusibles con contacto auxiliar de fusión que den una orden de corte omnipolar.

Si no, para paliar este inconveniente, es necesario instalar o dos relés conectados entre dos fases diferentes o tres relés conectados en triángulo. o tres relés monofásicos

Sin embargo, este último montaje (tres relés conectados en triángulo) puede ser peligroso si los relés tienen su umbral ajustado entre el 20 y el 30% de la tensión nominal. En efecto, cuando se produce el corte de una sola fase, los dos relés que tienen un borne conectado a esta fase quedan en serie y son alimentados por las otras dos fases sanas. La tensión en bornes de estos dos relés pasa a ser la mitad de su tensión nominal, tensión superior al valor de ajuste citado (0,2 Un). Por tanto no se da ninguna orden de conmutación. Por este motivo es preferible utilizar tres relés conectados en estrella o tres relés conectados en triángulo pero ajustados al 60% de Un, o, mejor todavía, un relé trifásico de tensión con campo giratorio.

o   un único relé voltimétrico trifásico

Si la red de distribución tiene conectados motores trifásicos asíncronos, este tipo de relés no permite la detección del fallo de una fase de alimentación en el juego de barras,puesto que estos motores proporcionan, precisamente al juego de barras, la tensión de la fase cortada.

Por tanto, es necesario conectar un relé amperimétrico, trifásico de campo giratorio, en la entrada normal.

•  montaje de los detectores

Los relés instantáneos electromagnéticos son normalmente sensibles a los choques mecánicos que hacen rebotar sus contactos, originando así la aparición de órdenes de conmutación erróneas. Estos casos se presentan normalmente en el montaje en puerta, cuya instalación tiene que ser por tanto muy cuidadosa para evitar todas las vibraciones que podrían ser susceptibles de perturbar al equipo.

4.- Corte de tensión durante una conmutación no síncrona

Este corte de tensión, aunque transitorio, es generalmente suficiente para hacer caer todos los contactores cuyas bobinas se alimenten del circuito de potencia.

El dispositivo de conmutación automática puede perder mucha de su eficacia puesto que los receptores mandados por estos contactores, ahora caídos, ya no están alimentados. Por el contrario, se permite un rearranque manual escalonado de los motores mediante los pulsadores de «marcha».

Para evitar tener que hacer esta reconexión manual, es preferible alimentar las bobinas de los contadores o con una fuente auxiliar segura (batería o grupo giratorio con volante de inercia) o con un relé temporizado a la reconexión, o incluso, a partir del circuito de potencia, utilizando un rectificador y un condensador conectados en paralelo con la bobina. En este caso, la energía necesaria para mantener el contactor en posición cerrado durante el breve corte de tensión, la suministra el condensador. Pero, para que el valor de la capacidad del condensador «reserva» no tenga que ser demasiado elevado, la duración del corte de tensión debe de ser muy breve (algunos centenares de milisegundos) y el consumo de la bobina, muy bajo.

Con todo, téngase presente que la instalación de estas soluciones obliga a que la fuente de sustitución pueda soportar el conjunto de los receptores y, en especial, todos los motores en situación de «rearranque al vuelo».

Nota: Puesto que al abrir el circuito de mando de una bobina, aparecen importantes tensiones inducidas en sus bornes, el rectificador y el condensador deben soportar estas tensiones.

5.- Enclavamiento mecánico entre los aparatos de maniobra de BT y entre los de AT

En los dispositivos de conmutación síncrona, los dos aparatos de maniobra (fuente principal y de sustitución) pueden estar simultáneamente cerrados. Pero, en los otros sistemas de conmutación, debe haber, en todas las instalaciones, un enclavamiento mecánico de los aparatos entre sí y de sus circuitos eléctricos para impedir la alimentación simultánea de los circuitos de mando de los dos aparatos. Se recomienda esta precaución en todas las instalaciones y normalmente lo exigen las compañías suministradoras.

6.- Resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra AT

La resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra de la fuente de reemplazo empleados en los sistemas de conmutación síncrona y pseudosíncrona deben estar especialmente adaptados. En efecto, durante el tiempo de espera de las condiciones de acoplamiento, los polos de estos aparatos pueden estar sometidos, entre la entrada y la salida, a dos veces la tensión simple de la red (tensión de las dos fases a conectar en oposición de fase).

Continua en: Inversores de redes: Conmutación síncrona (parte 2ª)
https://imseingenieria.blogspot.com/2020/02/inversores-de-redes-conmutacion.html

Importancia de la corriente de corta duración admisible (Icw) en interruptores de BT

La corriente de corta duración admisible (Icw) caracteriza la capacidad de los aparatos  de soportar las corrientes de cortocircuito, eventualmente elevadas, durante una duración suficiente para eliminarlas mediante los interruptores automáticos o dispositivos de protección situados aguas abajo. Esto es por tanto una característica esencial del interruptor automático de potencia que se encuentra normalmente en cabeza de la instalación.

Figura 1

Ver post: “Definiciones: Poder de corte, Poder de cierre y Poder de limitación de un interruptor magnético” en el siguiente link:

https://imseingenieria.blogspot.com/2019/10/definiciones-poder-de-corte-poder-de.html

Cuanto mayor sea la Icw, mayor será el límite de utilización de la selectividad cronométrica. Y esto porque los aparatos con Icw elevada se califican normalmente como «selectivos».

Hay que tener en cuenta que es necesario que tanto el cuadro en el que está instalado el aparato como todos los conductores situados aguas arriba, sean capaces de soportar estas corrientes.

Las corrientes de cortocircuito producen 2 tipos de fenómenos:

·    los esfuerzos electrodinámicos entre las diferentes partes del circuito recorrido por una corriente.

Estos esfuerzos son de repulsión o atracción según los sentidos respectivos de las corrientes; se manifiestan instantáneamente y la resistencia del aparato a estos esfuerzos, llamada «resistencia electrodinámica» (TDE) estará caracterizada por el valor máximo instantáneo de la corriente que puede soportar, medido en kA «de cresta». Más allá de este valor se producen deformaciones irreversibles en las piezas o arcos eléctricos que pueden perjudicar las piezas afectadas.

·         un calentamiento de las piezas recorridas por la corriente.

Este calentamiento no es función del valor instantáneo de la corriente, sino de su valor eficaz y de su duración; la resistencia del aparato a estos fenómenos puede por tanto expresarse en kA_ef y en segundos.

La «corriente de corta duración admisible» está definida en varias normas y entre ellas la CEI 60 947-2 que le asigna el símbolo «Icw».

El ensayo asociado permite probar el comportamiento del aparato a la vez bajo el aspecto electrodinámico, cuando se produce un cortocircuito, y bajo el aspecto térmico, manteniendo la corriente durante un tiempo determinado (normalmente de 0,5 s, 1 s ó 3 s). La corriente máxima de cresta la define la norma en función de la corriente eficaz; el conocimiento de esta última es suficiente para definir la Icw. Es evidente que el valor de Icw queda limitado por los más severos fenómenos, sea electrodinámicos o térmicos y que su valor disminuye por tanto normalmente cuando aumenta su duración: una Icw durante 3 segundos es térmicamente 9 veces peor que una Icw  durante 1 segundo. Por tanto, es la resistencia térmica la que determina habitualmente la Icw de 0,5 s, quedando los efectos térmicos controlados.

El valor de Icw a tener en cuenta para la selectividad es el que corresponde al tiempo máximo de ajuste del relé de corto retardo, normalmente de 0,5 s. En general, este valor está determinado directamente por la resistencia electrodinámica, por tanto, los efectos térmicos quedan fácilmente controlados. Los valores de 1 s y hasta 3 s no son más que indicación de una robustez adicional.

Disposiciones constructivas

Para conseguir una buena Icw, hace falta:

• una construcción robusta y rígida del aparato que asegure un mantenimiento eficaz de las piezas que transportan la corriente. La utilización de cajas moldeadas en poliéster termoendurecido permite actualmente una notable mejora de la rigidez estructural de los interruptores automáticos respecto a las técnicas anteriores de construcción a base de piezas metálicas cortadas, dobladas y encajadas,
•  una gran rigidez del mecanismo para mantener la posición cerrada de los contactos,
• una disposición especial de los contactos móviles y de las pinzas de conexión que aseguren una compensación automática delos esfuerzos de repulsión producidos entre los puntos de los contactos (figura 2):

1. las pinzas están constituidas por dedos situados a cada lado de los conductores a unir; por estos dedos circulan corrientes paralelas que crean un esfuerzo de atracción, Fm, que compensa los esfuerzos de repulsión, Fr, producidos en los contactos (figura 2a);
2. los contactos móviles tienen un eje de articulación situado aproximadamente a un tercio de la distancia que separa los conductores de conexión. Así, la resultante de los esfuerzos de repulsión, Fm, producidos por el bucle de corriente crea en los contactos un par que compensa el generado por la repulsión, Fr, en los puntos de contacto (figura 2b). Sin embargo, la compensación de esfuerzos tiene el efecto de aumentar las fuerzas transmitidas al mecanismo, lo que constituye una exigencia restrictiva para el fabricante,

• un dimensionamiento generoso de la sección del circuito de potencia para evitar alcanzar una temperatura excesiva cuando la temporización del relé se ajusta a su valor,
• la utilización de sustancias moldeadas termoendurecibles (sin punto de fusión), o de técnicas termoplásticas de alto punto de fusión en las zonas próximas al circuito de potencia.

Figura 2: Disposiciones constructivas de contactos que aseguran la compensación 
de los esfuerzos de repulsión en un interruptor automático.

FUENTE:

Schneider Electric: Selectividad con los interruptores automáticos de potencia BT  (Jean-Pierre NEREAU)

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Utilidad de la «capacidad de ruptura en servicio» (lcs) en interruptores automáticos de BT

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Interruptores automáticos limitadores de corrientes de cortocircuito

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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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