Cómo la coordinación del aislamiento de transformadores de 35 kV limita el riesgo de sobretensiones

Cómo la coordinación del aislamiento de transformadores de 35 kV limita el riesgo de sobretensiones

Para un transformador de 35 kV, la coordinación del aislamiento no consiste simplemente en seleccionar una clasificación superior de rigidez dieléctrica. Es el proceso de combinar el aislamiento del transformador, los pararrayos, la puesta a tierra del sistema, la configuración de las líneas y las condiciones de funcionamiento, de modo que el aislamiento quede expuesto a un nivel controlable de esfuerzo durante eventos de rayo y maniobra. Cuando se realiza correctamente, evita que las sobretensiones más dañinas alcancen secciones vulnerables de los devanados, pasatapas, terminaciones de cables y aparamenta conectada. Cuando se realiza deficientemente, puede dejar equipos aparentemente conformes expuestos a un envejecimiento dieléctrico repetido o a una única falla grave.

Los evaluadores técnicos suelen enfrentarse a una tensión práctica: un exceso de conservadurismo puede aumentar el coste y el tamaño físico del transformador, mientras que un sistema de aislamiento insuficientemente especificado puede crear riesgos que no se hacen visibles hasta la puesta en servicio o después de años de funcionamiento. Por tanto, el objetivo no es el “máximo aislamiento”. Es un nivel de protección coordinado con un margen justificable, confirmado frente a la red real en lugar de asumirse únicamente a partir de la tensión nominal.

La tensión nominal no define toda la solicitación por sobretensiones

Un transformador de 35 kV se asocia habitualmente con una tensión máxima del sistema de 36 kV, pero la tensión nominal es solo el punto de partida para seleccionar el aislamiento. El transformador puede estar conectado a un alimentador aéreo en una zona propensa a rayos, una red compacta de cables, un sistema colector eólico o solar, o una barra industrial que alimenta grandes motores y cargas de electrónica de potencia. Cada configuración genera un entorno transitorio diferente.

Las sobretensiones de rayo suelen ser la primera preocupación cuando las líneas aéreas entran en una subestación o terminan cerca de los pasatapas del transformador. Una descarga puede crear una onda viajera de frente escarpado que se refleja y amplifica en discontinuidades, como transiciones de línea a cable, terminales abiertos y conexiones del transformador. Por ello, la tensión en el terminal del transformador puede diferir considerablemente de la sobretensión medida o calculada inicialmente en la línea.

Las operaciones de maniobra también son importantes. Los interruptores automáticos en vacío, los bancos de condensadores, los circuitos de cables, los reactores y los eventos de despeje de fallas pueden generar transitorios oscilatorios o de frente escarpado. Aunque las sobretensiones de maniobra en media tensión suelen ser menos severas que los impulsos de rayo en magnitud de pico, pueden ser relevantes cuando los devanados del transformador están conectados mediante tramos cortos de cable, cuando los pararrayos están alejados o cuando se realizan maniobras frecuentes. En sistemas industriales alimentados por convertidores, el evaluador también debe distinguir las sobretensiones convencionales de la red del esfuerzo eléctrico repetitivo asociado a la instalación más amplia de electrónica de potencia.

La cadena de coordinación del aislamiento

Una evaluación sólida sigue toda la trayectoria de la sobretensión, en lugar de tratar el transformador como un componente aislado. La cadena básica es sencilla: estimar la sobretensión que puede producirse en los terminales del transformador, determinar a qué nivel la limitará realmente el dispositivo de protección, considerar los efectos de la instalación y comparar el esfuerzo resultante con la capacidad de soportación asignada al transformador.

En proyectos basados en IEC, IEC 60071 proporciona el marco general para la coordinación del aislamiento, mientras que IEC 60076 aborda los requisitos y ensayos dieléctricos de los transformadores de potencia. Deben verificarse las partes y ediciones aplicables, así como las normas locales de la red, para el proyecto específico. Estos documentos no eliminan el criterio de ingeniería; establecen un lenguaje común para niveles de aislamiento, ensayos de soportación, distancias de aislamiento, niveles de protección y márgenes de coordinación.

Deben considerarse tanto el aislamiento externo como el interno del transformador. El aislamiento externo incluye los pasatapas y las distancias de aislamiento en aire, que pueden verse afectados por contaminación, altitud, humedad y geometría de instalación. El aislamiento interno incluye las regiones entre devanado y tierra, entre devanados, conductores de conexión, conexiones de tomas y entre espiras. Un transformador puede superar su ensayo de impulso de rayo especificado y, aun así, enfrentarse a una condición desfavorable en campo si un pararrayos mal ubicado o un conductor largo permite que una onda excesivamente escarpada alcance el terminal.

El nivel de protección es más útil que la tensión nominal del pararrayos por sí sola

Los pararrayos de óxido metálico son fundamentales en la mayoría de los esquemas de coordinación de aislamiento de 35 kV, pero seleccionarlos únicamente por su tensión nominal es insuficiente. El valor relevante es la tensión residual o de protección bajo la corriente y forma de onda de sobretensión esperadas, junto con la capacidad de sobretensión temporal y la solicitación energética. El pararrayos debe soportar las condiciones probables del sistema mientras limita el terminal del transformador a un nivel inferior al nivel de soportación de aislamiento seleccionado, con un margen adecuado.

La longitud de los conductores de conexión no es un detalle menor de instalación. Durante un transitorio rápido, la inductancia de los conductores genera una caída de tensión adicional. Un pararrayos instalado a varios metros de distancia puede proteger el alimentador, pero proporcionar menos protección en el pasatapas del transformador de la que su nivel de protección de catálogo sugiere. Las conexiones cortas y directas, junto con un camino de puesta a tierra de baja impedancia, suelen ser más valiosos que optar por un pararrayos nominalmente más robusto sin mejorar la disposición física.

La puesta a tierra también cambia la decisión. En sistemas efectivamente puestos a tierra, el comportamiento de las sobretensiones temporales fase-tierra difiere del de redes aisladas, puestas a tierra mediante resistencia o puestas a tierra resonante. La tensión de funcionamiento continuo del pararrayos, su clasificación de sobretensión temporal y el tiempo de despeje de fallas deben ser compatibles con el método de puesta a tierra real. Esta es un área en la que las suposiciones genéricas para 35 kV son frecuentemente inseguras.

Donde se encuentran el diseño del transformador y el diseño del sistema

El nivel de aislamiento solicitado en la especificación de un transformador debe poder relacionarse con el estudio de red y la disposición de protección. Un documento de licitación que simplemente indique “transformador de 35 kV” sin definir la tensión máxima, los niveles de soportación del aislamiento, el tratamiento del neutro, el tipo de conexión de entrada y la ubicación de los pararrayos deja demasiado espacio a la interpretación. Esto es especialmente importante para transformadores de servicio especial, en los que el comportamiento de la carga y los equipos conectados pueden modificar el entorno práctico de sobretensiones.

Por ejemplo, una instalación de rectificación puede requerir aislamiento eléctrico, una configuración personalizada del secundario de baja tensión y un grupo vectorial elegido para dar soporte al sistema rectificador. Estas características deben revisarse junto con la solicitación de aislamiento de alta tensión, y no en un debate comercial separado. Un transformador especial de aislamiento y rectificación de 35 kV puede configurarse para aplicaciones trifásicas de 50 kVA a 5000 kVA, con funcionamiento a 50 Hz o 60 Hz, devanados de cobre y opciones de instalación interior o exterior. Cuando se especifica IEC 60076, los requisitos de aislamiento y ensayo aún deben alinearse con el estudio real del sistema, la disposición de conexión y los pararrayos seleccionados.

Los transformadores rectificadores utilizados en metalurgia, electrólisis, galvanoplastia, tránsito ferroviario, procesamiento químico, minería y otras aplicaciones de electrónica de potencia también requieren atención a esfuerzos distintos de las sobretensiones. La corriente armónica, la carga térmica, los riesgos de polarización de CC en equipos relacionados y la frecuencia de conmutación pueden afectar al envejecimiento de los devanados y del aislamiento. Estos factores no sustituyen la coordinación frente a impulsos de rayo, pero influyen en la durabilidad del sistema de aislamiento que debe soportar dichos impulsos durante su vida útil.

Una revisión práctica del margen de coordinación

El margen entre la capacidad de soportación del transformador y el nivel de protección esperado constituye el núcleo de la revisión. No debe evaluarse comparando dos valores aislados de catálogo. El esfuerzo esperado en el terminal del transformador puede incluir la tensión residual del pararrayos, la tensión inducida por los conductores de conexión, los efectos de reflexión de ondas y la incertidumbre asociada a los parámetros de instalación y del sistema. El nivel de soportación seleccionado debe cubrir el esfuerzo resultante bajo la condición de impulso pertinente.

Una pregunta técnica útil es: “¿Qué tensión verá realmente el pasatapas del transformador durante el evento creíble?” Esta pregunta dirige la atención a aspectos que a menudo se pasan por alto: la longitud del cable entre el pararrayos y el transformador, la exposición de la línea aérea, la disposición de la estación, el trazado de los conductores de puesta a tierra, la configuración del neutro del transformador y si el pararrayos está instalado en todos los terminales requeridos. También evita un error común: asumir que el nivel de ensayo estándar de un transformador garantiza automáticamente una protección adecuada en todas las instalaciones de campo.

Para instalaciones de mayores consecuencias, pueden estar justificados estudios de transitorios. La profundidad de estudio requerida depende de la complejidad de la red y del perfil de riesgo. Un alimentador aéreo radial simple puede necesitar una revisión centrada en la exposición a rayos y la ubicación de los pararrayos. Una subestación con transiciones de cable, múltiples fuentes, maniobra de condensadores, alimentadores largos o equipos convertidores puede justificar una modelización más detallada. El estudio debe identificar claramente las hipótesis, ya que su resultado solo es tan fiable como la configuración del alimentador, los datos de puesta a tierra y las entradas de los dispositivos de protección utilizados.

Preguntas que conviene resolver antes de autorizar la fabricación

• ¿Cuáles son la tensión máxima del sistema y la disposición de puesta a tierra, incluidas las condiciones creíbles de sobretensión temporal?
• ¿Las conexiones de entrada y salida son línea aérea, cable, barra blindada o una combinación de estas?
• ¿Qué niveles de soportación a impulso de rayo y a frecuencia industrial exige la especificación o norma aplicable?
• ¿Dónde se instalarán los pararrayos y cuál es la longitud aproximada de los conductores hasta cada terminal protegido del transformador?
• ¿El transformador incluye un terciario, un neutro accesible, un cambiador de tomas o una disposición secundaria especial que requiera una consideración independiente?
• ¿Son relevantes para la selección del aislamiento externo la altitud, la severidad de contaminación, las condiciones de envolvente interior o las distancias de aislamiento exteriores?

Estas preguntas no son simple documentación. Determinan si el fabricante, el diseñador del sistema y el equipo de puesta en servicio trabajan con la misma base de coordinación del aislamiento. Los cambios tardíos en la ubicación del pararrayos o el trazado de cables pueden invalidar un cálculo original que, de otro modo, sería razonable.

Los ensayos confirman un diseño; no sustituyen la coordinación

Los ensayos dieléctricos de fábrica siguen siendo esenciales. Aportan evidencia de que el transformador se ha construido para soportar la solicitación de ensayo especificada y de que la estructura de aislamiento está libre de determinados defectos de fabricación. Sin embargo, un certificado de ensayo no demuestra que los pararrayos estén correctamente seleccionados, que su puesta a tierra sea adecuada o que la disposición de la estación evite esfuerzos dañinos en los terminales. Estas son responsabilidades a nivel de sistema.

Por el contrario, un estudio de coordinación del aislamiento bien preparado no debe utilizarse para relajar el control de calidad de fábrica. Un rendimiento fiable depende de ambos aspectos: diseño y fabricación disciplinados de las estructuras de aislamiento, además de una aplicación correcta en campo. Jinshida Electric Power Technology Co., Ltd. aborda esto mediante soporte técnico, procesos de fabricación controlados y gestión de calidad para equipos de transmisión y distribución destinados a aplicaciones industriales, de red, nuevas energías e infraestructura. Para un evaluador, la evidencia útil es la claridad del programa técnico aprobado, los planos, el alcance de los ensayos y las responsabilidades de interfaz documentadas.

La decisión se toma en las interfaces

El riesgo de sobretensiones en un transformador de 35 kV se limita cuando los niveles de soportación del aislamiento, las características de protección de los pararrayos, la geometría de instalación y el comportamiento de puesta a tierra se consideran como un único sistema coordinado. El error más costoso a menudo no es seleccionar un transformador inadecuado de forma aislada; es pasar por alto la interfaz entre un transformador adecuado y una disposición de protección inadecuada.

Antes de aprobar un diseño, confirme conjuntamente la norma de aislamiento aplicable, los niveles de ensayo del transformador, el método de puesta a tierra del sistema, los datos del pararrayos, la disposición de terminales y la configuración de cables o líneas. Si cualquiera de estas entradas sigue siendo incierta, el margen de coordinación debe revisarse antes de la fabricación y de nuevo antes de la instalación final. Esta disciplina proporciona al transformador de 35 kV una defensa realista frente a las sobretensiones que encontrará realmente.