Cómo especificar la tensión soportada a impulsos tipo rayo para un transformador de 110 kV

Para especificar la tensión soportada a impulso tipo rayo de un transformador de 110 kV, establezca la tensión más elevada para el material, seleccione el nivel de aislamiento mediante la coordinación del aislamiento y defina los requisitos para cada terminal. Una especificación de compra que indique únicamente «110 kV, probado a impulso tipo rayo» deja demasiado margen a la interpretación.

En un proyecto basado en IEC, un sistema nominal de 110 kV suele corresponder a una tensión más elevada para el material, U_m, de 123 kV. Una tensión soportada asignada a impulso tipo rayo de 550 kV de cresta es una especificación habitual para esta tensión del material, pero no debe seleccionarse automáticamente. La elección debe estar respaldada por los niveles de aislamiento aplicables, los requisitos de la empresa eléctrica, la disposición de protección contra sobretensiones y las conexiones del transformador.

El documento de adquisición debe convertir esa elección en una obligación clara: qué tensión debe soportar cada terminal, bajo qué condiciones de ensayo y con qué evidencia de que las pruebas se han superado satisfactoriamente.

Establecer la base de tensión antes de elegir el nivel de impulso

La designación de 110 kV describe la tensión nominal del sistema. No describe la cresta de una sobretensión de rayo ni determina directamente la capacidad del transformador para soportar impulsos.

Mantenga separados estos tres valores:

• Tensión nominal del sistema: la tensión utilizada para identificar la red.
• Tensión más elevada para el material, U_m: la clase de tensión del material utilizada para asignar los requisitos de aislamiento.
• Tensión soportada asignada a impulso tipo rayo: la tensión de cresta especificada que debe soportar el aislamiento en condiciones de ensayo definidas.

Esta distinción evita un error habitual de especificación: comparar una tensión del sistema expresada como valor RMS con una tensión soportada a impulso expresada como valor de cresta. Describen solicitaciones eléctricas distintas.

Registre la tensión máxima de servicio del sistema y su régimen de puesta a tierra junto con la U_m seleccionada. Identifique también si el transformador se conecta a una línea aérea, a un circuito de cables o a una aparamenta aislada en gas. Estas interfaces afectan a la sobretensión entrante y a la disposición de protección, aunque la tensión nominal no cambie.

Utilizar un marco normativo coherente

Para una especificación basada en IEC, IEC 60076-3 proporciona el marco específico para transformadores relativo a los niveles de aislamiento, los ensayos dieléctricos y las distancias externas en aire. La serie IEC 60071 aborda la coordinación del aislamiento, mientras que IEC 60060-1 trata las técnicas generales de ensayos de alta tensión.

Una adquisición basada en IEEE suele recurrir a IEEE C57.12.00 y IEEE C57.12.90 para los requisitos y ensayos aplicables a transformadores sumergidos en líquido. La documentación IEEE suele utilizar el término nivel básico de aislamiento a impulso tipo rayo, o BIL.

La tensión soportada asignada a impulso tipo rayo de IEC y el BIL de IEEE cumplen funciones relacionadas, pero la coincidencia de sus valores numéricos no demuestra que todos los requisitos de ensayo sean equivalentes. Las secuencias de ensayo, las disposiciones para ondas cortadas, las conexiones de los terminales y los requisitos de aceptación deben ajustarse al marco seleccionado.

Indique en el contrato las normas aplicables y sus ediciones. Si las especificaciones de la empresa eléctrica añaden requisitos, establezca su orden de precedencia. El proveedor debe poder determinar el programa de ensayos requerido sin tener que elegir entre cláusulas contradictorias.

Coordinar el aislamiento del transformador con la protección de los pararrayos

La tensión asignada a impulso del transformador es un elemento de su protección contra las sobretensiones de rayo. La cuestión práctica es si, en las condiciones evaluadas, la tensión que llega a sus terminales se mantiene suficientemente por debajo de su capacidad de soportar el aislamiento.

Por ello, la selección de los pararrayos requiere algo más que comparar un valor de catálogo del pararrayos con la tensión asignada a impulso del transformador. La tensión de protección del pararrayos depende de la corriente de descarga y de la forma de onda. La tensión que aparece en el transformador también depende de la geometría de la instalación y de la propagación de la sobretensión.

Evalúe conjuntamente los siguientes aspectos:

• La tensión máxima de servicio continuo del pararrayos y su capacidad frente a sobretensiones temporales.
• Sus características de protección para las condiciones de sobretensión pertinentes.
• La distancia eléctrica entre el pararrayos y el terminal del transformador.
• La longitud y el trazado de las conexiones de línea y de tierra.
• Las reflexiones en las interfaces de cables, líneas aéreas y equipos.
• Las conexiones a tierra entre el pararrayos y la cuba del transformador.

Los conductores largos de conexión del pararrayos pueden añadir tensión inductiva durante una sobretensión de frente escarpado. La separación entre el pararrayos y el transformador también puede modificar la tensión en el terminal. Por tanto, un margen de protección aceptable basado únicamente en valores de catálogo puede sobrestimar la protección que ofrece la disposición instalada.

Utilice el estudio de coordinación del aislamiento para establecer el margen requerido conforme al método aplicable al proyecto. Un porcentaje universal no puede tener en cuenta todas las configuraciones, condiciones de sobretensión y características de aislamiento.

Un esquema de coordinación útil muestra el circuito entrante, la ubicación del pararrayos, el pasatapas del transformador, los conductores de conexión y las conexiones a tierra. Mostrar estas distancias facilita la evaluación de las hipótesis de protección en comparación con una simple lista de equipos.

La altitud también debe tratarse de forma explícita. La menor densidad del aire afecta al aislamiento externo en aire, por lo que puede ser necesario ajustar los pasatapas y las distancias de aislamiento. Aumentar únicamente la tensión asignada a impulso del devanado no resuelve un problema de distancia externa.

Especificar el aislamiento por terminal, no solo por transformador

Un único valor de impulso en la ficha técnica de un transformador puede ocultar diferencias importantes entre los terminales de línea de alta tensión, el terminal de neutro, el devanado de baja tensión y cualquier devanado terciario. Utilice una tabla de aislamiento por terminal para eliminar esa ambigüedad.

El aislamiento del neutro merece especial atención. Un devanado diseñado con aislamiento reducido en el neutro depende de condiciones de servicio definidas. Un neutro conectado sólidamente a tierra y otro que puede quedar aislado no necesariamente experimentan la misma solicitación de tensión. Especifique las configuraciones de puesta a tierra y las condiciones de maniobra permitidas antes de aceptar el aislamiento de neutro propuesto.

Para el devanado de baja tensión, considere tanto las sobretensiones procedentes de la red conectada como las tensiones transferidas a través del transformador. La tensión asignada del devanado de alta tensión no establece automáticamente una protección adecuada para todos los demás terminales.

Las tensiones asignadas de los pasatapas también deben ser adecuadas para el conjunto. Un pasatapas adecuado no compensa un aislamiento interno insuficiente, y un aislamiento adecuado del devanado no compensa unas distancias externas insuficientes.

Definir el ensayo de impulso más allá de su tensión de cresta

El impulso tipo rayo estándar de onda completa suele describirse como una forma de onda de 1.2/50 μs: un tiempo de frente especificado seguido de un tiempo especificado hasta la mitad del valor en la cola. Las normas aplicables definen la evaluación de la forma de onda y las tolerancias permitidas. Estos detalles son importantes porque la solicitación del aislamiento depende tanto de la forma del impulso como de su valor de cresta.

Para un transformador de 110 kV, especifique los requisitos aplicables al ensayo de onda completa e indique si se requiere el ensayo con onda cortada. Un impulso cortado introduce un colapso rápido de la tensión que puede imponer solicitaciones internas diferentes. Los ensayos de onda completa y de onda cortada no deben considerarse pruebas intercambiables.

El programa de ensayos acordado debe contemplar:

• Los terminales ensayados y los niveles de tensión asignados a cada uno.
• La polaridad del impulso y la secuencia prescrita de aplicaciones.
• Los requisitos de onda completa y onda cortada, cuando corresponda.
• Las posiciones de toma y el tratamiento de los terminales de los demás devanados durante los ensayos.
• Las mediciones de tensión y corriente utilizadas para evaluar la respuesta.
• Los criterios de aceptación y el procedimiento para investigar registros anómalos.

La posición de toma afecta a la configuración del devanado y a la distribución interna de la tensión. La especificación debe exigir las configuraciones aplicables según la norma e identificar cualquier requisito adicional del proyecto antes de la fabricación. Dejar esta decisión para el ensayo en fábrica puede generar desacuerdos sobre si la configuración demostrada cubre las condiciones de servicio previstas.

La aceptación requiere algo más que afirmar que no se produjo una descarga disruptiva externa. La evaluación del ensayo debe incluir las respuestas registradas de tensión y corriente y cualquier indicio de fallo del aislamiento interno. Las diferencias entre trazas requieren una interpretación técnica, ya que el circuito de ensayo y los sucesos externos también pueden afectar a los registros.

Mantener separados los requisitos de los transformadores eólicos

Un proyecto eólico puede incluir varias clases de tensión de transformador. Un transformador elevador de aerogenerador que alimenta una red colectora de media tensión tiene unos requisitos de aislamiento distintos de los del transformador principal que conecta esa red a una red de 110 kV.

Por ejemplo, el Transformador para generación eólica de Jinshida Electric se ofrece con potencias de 630–5000 kVA, un lado de baja tensión de 0.69 kV y opciones de alta tensión de 10, 20 o 35 kV. Estas características corresponden a aplicaciones en el aerogenerador o en el sistema colector; no acreditan capacidad para un transformador de red de 110 kV.

Al especificar el transformador principal de red, identifique la tensión real de la red colectora, las interfaces de cables, la configuración de puesta a tierra y la protección en ese lado. Que varios productos hagan referencia a IEC 60076 no significa que compartan la misma clase de aislamiento ni los mismos requisitos de ensayo de impulso.

Redactar una cláusula que los proveedores puedan cotizar y demostrar

Una especificación útil combina una tabla de aislamiento cumplimentada con una obligación de ensayo definida. El siguiente texto proporciona una estructura; la tabla del proyecto debe incluir los valores reales y la asignación a los terminales:

Cláusula de adquisición de ejemplo: «El transformador deberá tener las tensiones más elevadas para el material y las tensiones soportadas asignadas a impulso tipo rayo especificadas en la tabla de aislamiento por terminal. El diseño dieléctrico y los ensayos deberán cumplir la edición de IEC 60076-3 indicada en el contrato. El proveedor deberá identificar los niveles de aislamiento de todos los terminales de línea y de neutro, las tensiones asignadas propuestas para los pasatapas y los requisitos aplicables a los ensayos de onda completa y de onda cortada. Antes de los ensayos, el proveedor deberá presentar el procedimiento de ensayo de impulso, incluidas las conexiones de terminales, las posiciones de toma, los requisitos de forma de onda, las mediciones y los criterios de aceptación. El informe final deberá incluir los parámetros de ensayo medidos, los oscilogramas y la evaluación de los resultados».

Indique explícitamente el nivel de impulso de alta tensión seleccionado. Si el proyecto adopta U_m = 123 kV y 550 kV de cresta para sus terminales de línea, incluya ambos valores en la tabla. Evite depender de expresiones como «aislamiento estándar» o «práctica habitual del fabricante», que pueden dar lugar a ofertas basadas en supuestos distintos.

Especifique los requisitos de presencia en los ensayos de fábrica y de revisión de documentos al formalizar el pedido. Si se propone utilizar evidencias de ensayos anteriores, deberá indicarse su fundamento contractual y demostrarse su pertinencia para el diseño ofertado.

Comparar las evidencias con el mismo cuidado que las tensiones asignadas

Dos ofertas que indiquen la misma tensión soportada a impulso pueden diferir en el aislamiento del neutro, los ensayos de onda cortada, la selección de pasatapas, el alcance de los ensayos o la documentación. Resuelva esas diferencias antes de considerar que las ofertas son técnicamente equivalentes.

Solicite una tabla de aislamiento por terminal cumplimentada, una declaración de conformidad con las normas, una lista clara de desviaciones, el programa de ensayos propuesto y las hipótesis utilizadas para la coordinación del aislamiento. El informe final de ensayo debe identificar el transformador y la configuración ensayada para que las evidencias puedan vincularse al equipo suministrado.

El siguiente paso consiste en comparar la base de tensión del sistema, la tabla de terminales, la disposición de los pararrayos y los requisitos de ensayo. Toda discrepancia entre estos elementos debe plantearse como una consulta técnica concreta antes de emitir la especificación de compra.