Trabajos de Máster Optimización del Diseño de Grandes Transformadores de Potencia Incluyendo Aspectos Colaborativos y MedioambientalesPablo Pacheco Ramos. 2013
En el Trabajo de Fin de Máster “Optimización del Diseño de Grandes Transformadores de Potencia Incluyendo Aspectos Colaborativos y Medioambientales” se presenta un estudio de cómo las prescripciones normativas condicionan el uso de materiales, en el diseño de transformadores, y el uso de la energía en forma de pérdidas y consumos en elementos auxiliares (especialmente en la refrigeración) durante su operación a lo largo de toda su vida útil en servicio. Como en toda normativa, estas prescripciones tratan de garantizar que los productos (transformadores) presenten un correcto equilibrio entre calidad y coste.
Sin embargo, en ocasiones se presentan casos particulares para los que las condiciones de diseño generales resultan demasiado exigentes o no se adaptan correctamente a las condiciones reales de funcionamiento de los transformadores. En estos casos, el cumplimiento estricto de las recomendaciones normativas obliga a incurrir en sobrecostes, tanto de inversión como de explotación. Como consecuencia, en este tipo de casos es conveniente adaptar las recomendaciones normativas para obtener niveles de eficiencia energética y económica acordes a las condiciones reales de funcionamiento del caso. En este sentido es importante destacar que los grandes transformadores de potencia no son equipos que se fabriquen serie, sino que por el contrario, cada unidad es objeto de un diseño específico y personalizado, así como de un proyecto de fabricación individual, a fin de satisfacer las necesidades y especificaciones concretas de cada cliente.
En este trabajo se analizan tres casos de diseño optimizado de transformadores acorazados de potencia para tres aplicaciones concretas.
En el primer caso se ha llevado a cabo una mejora de la esperanza de vida para un tipo de autotransformador monofásico acorazado, fabricado para Red Eléctrica de España‐REE. El estudio ha consistido la realización de dos diseños alternativos al diseño del transformador convencional, con el fin de realizar una comparativa que permita establecer una mejor solución en cuanto a reducción de pérdida de vida de la máquina y del coste total del ciclo de vida del transformador. Para la mejora de la esperanza de vida, se ha llevado planteado un balance térmico entre los devanados para la posición de trabajo más común del cambiador de tomas del arrollamiento de AT. Cada diseño alternativo ha sido evaluado ante las condiciones reales de funcionamiento que experimenta la unidad actualmente en servicio, determinándose en cada caso las distintas temperaturas de trabajo de los puntos más calientes. Se ha establecido además un análisis de coste total de operación en el que se han evaluado:
- El coste base del transformador
- El coste de explotación debido a las pérdidas, incluyendo aquí el consumo de los servicios auxiliares, y
- El coste asociado al impacto medioambiental.
El resultado de este análisis ha permitido demostrar que el primer diseño alternativo propuesto presenta una mayor esperanza de vida, dado que funciona con una menor temperatura de trabajo (menores pérdidas). A pesar de la mayor inversión inicial de este diseño, sus costes totales de operación (ciclo de vida) son inferiores a los de la segunda alternativa estudiada, principalmente debido al reducido valor de los costes de explotación, consecuencia de sus pérdidas reducidas.
El segundo caso ha consistido en la optimización del equipo de refrigeración para un autotransformador de Iberdrola con severas restricciones en los niveles de ruido máximos admisible. Las principales diferencias entre los tres diseños planteados corresponden a la distribución de etapas de refrigeración, así como al tipo de ventilador utilizado en cada caso y al número de radiadores y motobombas empleadas. Los tres diseños se han desarrollado para todos los escenarios posibles de carga y de posición del cambiador de tomas de alta tensión. Además de los niveles de ruido emitidos en cada caso, también se ha analizado el consumo auxiliar de potencia del equipo de refrigeración así como el coste total de operación a lo largo de la vida útil del transformador. El tercero de los diseños de equipo de refrigeración analizado resulta ser el óptimo para esta aplicación de bajo ruido, resultando ser también la de menor consumo auxiliar.
En el tercer caso se ha analizado la viabilidad de llevar a cabo transformadores acorazados compactos para subestaciones marítimas de plantas eólicas offshore. Para este tipo de aplicaciones, dado el elevado coste del área disponible en la plataforma marítima, se requieren unidades que presenten un área mínima en planta, así como un peso también reducido que reduzca el coste de la plataforma. Se han desarrollado de nuevo tres alternativas: un primer diseño convencional que ha servido de base comparativa, un segundo diseño compacto y finalmente un tercer diseño compacto con aislamiento de alta temperatura y dimensiones mínimas. El tercer diseño presenta un peso y dimensiones mínimas, pero a costa de un aumento de las pérdidas respecto al resto de alternativas. Por su parte, el coste total de operación es también el más elevado de los tres diseños, pero su reducido peso y dimensiones hacen que la opción compacta de aislamiento de alta temperatura sea la que ofrece un menor coste total de instalación y operación en conjunto (transformador+plataforma).
Indicar, por último, que el trabajo concluye con una relación de las principales fuentes bibliográficas utilizadas y que ha dado lugar una comunicación a congreso internacional que se cita más abajo.
A. Prieto, M. Cuesto, P. Pacheco, M. Oliva, L. Prieto, A. Fernández, L. Navarro, H. Gago, M. Burgos, “Optimization of power transformers based on operatives services conditions for improved performance”, 44th edition of the Council on Large Electric Systems ‐CIGRE Session, Paris, August 26 to 31, 2012
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