repotenciación del sistema de alimentación del...

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniero Industrial

Repotenciación del sistema de alimentación del

Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión de una planta

de fabricación de transformadores de potencia

Julio Montes Rodríguez

Tutores:

Manuel Burgos Payán

José María Maza Ortega

Departamento de Ingeniería Eléctrica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2015

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniero Industrial


Tutores



Departamento de Ingeniería Eléctrica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2015

Repotenciación del sistema de alimentación del

Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión de una

planta de fabricación de transformadores de potencia

Proyecto Fin de Carrera: Repotenciación del sistema de alimentación del

Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión de una planta de fabricación de

transformadores de potencia

Autor: Julio Montes Rodríguez

Tutores:



El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los

siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2015

El secretario del tribunal

A Jesús, por su generosidad

A mis padres, por su apoyo durante estos años

A mi familia, en especial a Julio y Paula

A María, por compartir estos años y, sobre todo, por los que vendrán

AGRADECIMIENTOS

Quisiera agradecer la ayuda de mi tutor de proyecto, Manuel Burgos.

Mencionar también a los trabajadores de ABB Córdoba, por la labor que desarrollan y

el trato recibido durante mi estancia de prácticas, especialmente al personal del

Departamento de Calidad y al equipo de la Plataforma de Ensayos.

Finalmente, expresar mi especial agradecimiento a José Enrique Grijuela, gran

profesional y excelente persona, por todos los conocimientos y ayuda recibida de su

parte.


Sevilla, 2015

ÍNDICE

1 Introducción 1

1.1 Objeto del proyecto 1

1.2 Características de los transformadores 2

1.2.1 Número de fases 4

1.2.2 Número de devanados 4

1.2.3 Forma constructivas del núcleo magnético 4

1.2.4 Aislamiento galvánico 6

1.2.5 Transformadores con características eléctricas especiales 7

1.3 Proceso de fabricación 8

1.3.1 Ingeniería de diseño 8

1.3.2 Bobinaje 9

1.3.3 Apilado y montaje 9

1.3.4 Terminación 12

1.3.5 Ensayos 13

1.3.6 Expedición 13

1.4 Ensayo de transformadores de potencia 14

1.4.1 Papel de los ensayos en el negocio de los transformadores de potencia 15

1.4.2 Normativa aplicable en los ensayos 16

1.4.3 Ensayos realizados en el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión 17

2 Instalaciones del Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión 33

2.1 Introducción 33

2.2 Instalación eléctrica 37

2.2.1 Instalación principal 37

2.2.2 Grupo electrógeno 51

2.3 Otros equipos y generadores en plataforma 52

2.3.1 Generador de impulsos 52

REPOTENCIACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN

DE UNA PLANTA DE FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA

2.3.2 Transformador para ensayos de tensión soportada aplicada 53

3 Análisis de la situación actual 55


3.2 Estado de conservación de los grupos de generación 55

3.3 Capacidad de ensayo del laboratorio de alta tensión 56

3.4 Conclusiones 64

4 Solución propuesta 67


4.2 Especificaciones 67

4.3 Alternativas tecnológicas 69

4.3.1 Grupos motor-generador 69

4.3.2 Convertidores de frecuencia estáticos 70

4.3.3 Discusión comparativa 74

4.4 Definición 78

4.5 Implantación 85

4.6 Planificación 88

4.6.1 Fase 0 90

4.6.2 Fase 1 91

4.6.3 Fase 2 93

4.6.4 Fase 3 95

4.6.5 Fase 4 97

5 Valoración económica 99

6 Conclusiones finales 101

Bibliografía 103

Anexo: Esquemas y planos 107

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Ensayo de cortocircuito IEEE a transformador trifásico, informe. 21

Tabla 2: Ensayo de vacío IEC a transformador monofásico, informe. 24

Tabla 3: Ensayo de tensión soportada aplicada IEEE a transformador trifásico,

informe. 26

Tabla 4: Ensayo de tensión soportada inducida IEC con medida de DP a

transformador monofásico, informe. 29

Tabla 5: Centro de transformación, características 40

Tabla 6: Transformador de ensayos principal, características. 41

Tabla 7: Transformador de ensayos secundario, características. 43

Tabla 8: Batería de condensadores, características. 44

Tabla 9: Grupo generador-motor 1, características. 48

Tabla 10: Grupo generador-motor 2, características. 49

Tabla 11: Grupo generador-motor 3, características 50

Tabla 12: Grupo electrógeno, características. 51

Tabla 13: Estimación de potencia para el ensayo de vacío. 59

Tabla 14: Características de la alimentación para el ensayo de vacío. 60



Tabla 15: Estimación de potencia para el ensayo de calentamiento. 62

Tabla 16: Características de la alimentación para el ensayo de calentamiento. 63

Tabla 17: Capacidad requerida para la alimentación. 65

Tabla 18: Capacidad actual de la alimentación. 65

Tabla 19: Características requeridas para la alimentación. 68

Tabla 20: Comparación entre grupos motor-generador y convertidores estáticos

de frecuencia. 77

Tabla 21: Características del módulo inversor ACS800-107LC-1590-7 [18]. 83

Tabla 22: Características del módulo rectificador ACS800-307LC-2150-7 [18]. 84

Tabla 23: Características del transformador de alimentación. 85

Tabla 24: Características del transformador de salida. 85

Tabla 25: Planificación, general. 89

Tabla 26: Planificación, Fase 0. 91





Tabla 31: Valoración económica. 100

ÍNDICE DE FIGURAS

Ilustración 1: Núcleo magnético de forma constructiva tipo columnas [1]. 5

Ilustración 2: Núcleo magnético de forma constructiva tipo acorazado [1]. 6

Ilustración 3: Circuito equivalente monofásico de un autotransformador [4]. 7

Ilustración 4: Apilado de bobinas de un transformador acorazado [5]. 9

Ilustración 5: Núcleo tipo columnas montado con vigas de apriete [6]. 10

Ilustración 6: Apilado del núcleo de un transformador acorazado [5]. 10

Ilustración 7: Montaje de bobinas y núcleo tipo columnas en la cuba [6]. 11

Ilustración 8: Vista explosionada de un transformador acorazado [5]. 11

Ilustración 9: Transformador de columnas [6]. 12

Ilustración 10: Transformador acorazado [6]. 13

Ilustración 11: Realización de ensayos previos a la puesta en marcha. 14

Ilustración 12: Ensayo de medición de la impedancia de cortocircuito y de las

pérdidas debidas a la carga. 19

Ilustración 13: Ensayo de medida medición de las pérdidas y corriente de vacío. 22

Ilustración 14: Ensayo de tensión soportada aplicada con corriente alterna. 25

Ilustración 15: Sección transversal de una borna capacitiva [14]. 27



Ilustración 16: Ensayo de tensión soportada inducida con medida de descargas

parciales. 28

Ilustración 17: Dependencias pertenecientes al Laboratorio de Ensayos en Alta

Tensión. 33

Ilustración 18: Transformador instalado en el área de ensayos [5]. 34

Ilustración 19: Sala de control. 35

Ilustración 20: Baterías de condensadores. 35

Ilustración 21: Distribución de equipos en sala de máquinas. 36

Ilustración 22: Sala de máquinas. 37

Ilustración 23: Esquema eléctrico de la instalación principal. 38

Ilustración 24: Celdas del embarrado principal. 39

Ilustración 25: Transformador de ensayos principal. 41

Ilustración 26: Batería de condensadores. 44

Ilustración 27: Grupos generador-motor 1 y 2. 45

Ilustración 28: Excitación de grupos motor-generador. 46

Ilustración 29: Generador de impulsos [16]. 53

Ilustración 30: Forma de onda tipo de la corriente de vacío [17]. 58

Ilustración 31: Excitación grupo motor-generador con fuentes regulables. 70

Ilustración 32: Rectificador no controlado de seis pulsos. 71

AGRADECIMIENTOS

Ilustración 33: Rectificador no controlado de doce pulsos. 72

Ilustración 34: Convertidor estático de frecuencia. 74

Ilustración 35: Convertidor de frecuencia estático ACS800[18]. 79

Ilustración 36: Diagrama de bloques, unidad de generación. 81

Ilustración 37: Diagrama de bloques, convertidor de frecuencia estático. 81

Ilustración 38: Vista frontal, unidad de generación. 81

Ilustración 39: Esquema de conexión instalación eléctrica actual. 86

Ilustración 40: Esquema de conexión instalación eléctrica tras las actuaciones. 87

Ilustración 41: Emplazamiento unidades de generación en sala de máquinas. 87

Ilustración 42: Planificación, diagrama Gantt comprimido. 90

Ilustración 43: Planificación, diagrama Gantt Fase 0. 91





1

1 INTRODUCCIÓN

1.1 Objeto del proyecto

El ámbito en el que se desarrolla este proyecto es el de una planta de producción de

transformadores de potencia. La actividad de la misma abarca todo el proceso desde el

diseño hasta la realización de los ensayos finales de calidad. Los transformadores

producidos en la fábrica son de gran potencia con altas tensiones e intensidades

nominales.

De manera más concreta, este proyecto se centra en el Laboratorio de Ensayos en Alta

Tensión de la planta.

Los objetivos de este proyecto son:

Analizar las limitaciones y problemas que presenta en la actualidad el

Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión.

Definir cuáles son las prestaciones necesarias del Laboratorio de

Ensayos en base a los transformadores que se prevé ensayar en el futuro.

Analizar cuáles son las distintas alternativas disponibles para dar

solución a las limitaciones y problemas presentes en la actualidad.

Definir las características de la solución escogida en base a tecnologías

empleadas, variables del sistema y configuraciones; así como otros

aspectos necesarios para su integración y puesta en marcha.

Valorar económicamente el proyecto.

Todos estos objetivos se alcanzarán teniendo en cuenta diversos aspectos,

principalmente:

Aspectos propios del negocio de los transformadores de potencia.

Las particularidades de la fábrica y las máquinas que en ella se



2

producen.

La normativa relativa a esta actividad, en especial las normas publicadas

por Institute of Elechtrical and Electronics Engineers (IEEE),

International Electrical Comission (IEC) y su traducción oficial al

castellano por AENOR en las normas UNE.

El estado actual y los conocimientos adquiridos en la práctica de los

ensayos de transformadores de potencia.

La integración de la solución desarrollada con las instalaciones y

equipos ya presentes en el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión.

1.2 Características de los transformadores

La actividad de la fábrica se desarrolla en torno a la producción de grandes

transformadores de potencia.

Todos los transformadores se producen bajo pedido. Los clientes realizan encargos de

un número determinado de unidades, abarcando desde una única unidad hasta series

de varias unidades. Cada encargo se hace con unos criterios específicos, llevándose a

cabo un diseño particularizado para cada proyecto. Esto hace que los transformadores

producidos dentro de distintos proyectos puedan tener características muy dispares.

El perfil del cliente tipo es bastante definido. Las empresas que realizan encargos a la

fábrica son habitualmente empresas del sector eléctrico y de sectores industriales con

un uso intensivo de energía eléctrica. Esto caracteriza las características tipo de los

transformadores que se producen. En general, el perfil del transformador tipo, suele

encajar con el siguiente:

Transformador trifásico o banco trifásico de transformadores

monofásicos.

De gran potencia, pudiendo alcanzar hasta 1 GVA en unidades trifásicas

y 600 MVA en monofásicas.

Con tensiones nominales elevadas, siendo habituales la fabricación de

INTRODUCCIÓN

3

transformadores destinados a la red de transporte y transformadores de

generadores para grandes centrales eléctricas.

Aislamiento en baño de aceite con depósito de expansión.

Refrigeración externa forzada.

Aislamiento de terminales de alta tensión con bornas capacitivas

cerámicas o poliméricas.

Avanzado nivel de sistemas de control y monitorización de variables de

la máquina.

Los transformadores se pueden clasificar atendiendo a distintos aspectos, en el caso

concreto de los transformadores de potencia dentro del ámbito de este proyecto, los

más relevantes podrían ser el número de fases, la forma constructiva del núcleo, la

tipología de los devanados, además del resto de características eléctricas.

Según el número de fases:

Transformadores monofásicos

Transformadores trifásicos

Según el número de devanados:

Dos devanados

Tres devanados

Según la forma constructiva del núcleo:

Transformadores de columnas

▪ Transformadores de tres columnas

▪ Transformadores de cinco columnas

Transformadores acorazados.

Según si tienen aislamiento galvánico entre devanados o no:

Transformadores

Autotransformadores



4

Con características eléctricas especiales:

Transformadores desfasadores

1.2.1 Número de fases

La producción está formada tanto por transformadores trifásicos como por

monofásicos destinados a funcionar en banco trifásico. En el primer caso, es posible

encontrar potencias de entorno a 1 GVA, en el segundo, de 600 MVA, sumando en

banco trifásico un total de 1,8 GVA.

1.2.2 Número de devanados

Es bastante común que los transformadores producidos dispongan de un tercer

devanado. Este devanado se destina normalmente a la conexión de equipos para

compensación de reactiva o a alimentación de servicios auxiliares. Este devanado

suele ser de una potencia bastante inferior en relación con los devanados primario y

secundario.

1.2.3 Forma constructivas del núcleo magnético

Existen dos formas constructivas fundamentales del núcleo magnético, por un lado los

núcleos tipo columnas y por otro los tipo acorazado. Ambas formas tienen

repercusión en las características del transformador, influyendo en las dimensiones de

la máquina, las propiedades magnéticas, las propiedades eléctricas y el coste de la

misma.

Los núcleos de tipo columna constan de tres columnas en disposición vertical, dos en

el caso de los monofásicos, alrededor de las cuales se disponen de manera axial los

devanados. El núcleo magnético queda cerrado en la parte inferior por la culata y en la

INTRODUCCIÓN

5

parte superior por el yugo. Los devanados, aunque existen diferentes maneras de

construirlos a nivel de conexiones eléctricas y agrupación, tienen forma de bobinas

cilíndricas. Se puede distinguir de estos núcleos de tres columnas los de cinco, que

disponen de dos adicionales, libre de devanados, de manera que permiten un camino

magnético de cierre entre culata y yugo. En la Ilustración 1 puede observarse la

geometría de la forma constructiva tipo columnas.

Ilustración 1: Núcleo magnético de forma constructiva tipo columnas [1].

En el caso de los transformadores acorazados los núcleos se disponen en el plano

horizontal alineados de manera coaxial. En este caso los devanados, a diferencia de

los tipos columna, se construyen apilando una serie de bobinas construidas de manera

plana. Estas bobinas se asemejan en forma a una “galleta”, ya que el conductor se

arrolla en forma de espiral en un único plano, dando lugar a un diámetro mucho

mayor que la altura. Estas bobinas se van apilando, intercalando las distintas fases y

devanados separados por aislantes y pantallas electromagnéticas. Posteriormente se

conectan entre sí las que correspondan a las mismas fases.



6

Ilustración 2: Núcleo magnético de forma constructiva tipo acorazado [1].

De manera simplificada, en los transformadores tipo columnas, los devanados

envuelven al núcleo y en los transformadores tipo acorazado es el núcleo el que

envuelve a los devanados [1].

En el aspecto mecánico, la construcción como acorazado, reduce las dimensiones de

transporte y le aporta robustez frente a vibraciones e impactos, ya que el núcleo

envuelve a los devanados [2]. La construcción como acorazado permite una mayor

versatilidad a la hora de escoger las características del transformador [3].

En cuanto al plano económico, el núcleo de un transformador acorazado requiere una

mayor cantidad de chapa magnética que un transformador equivalente de columnas

para ser construido, lo que da lugar a un coste superior.

1.2.4 Aislamiento galvánico

La ausencia de aislamiento galvánico es lo que distingue a un autotransformador de

un transformador convencional. Los autotransformadores son transformadores

diseñados para funcionar con continuidad eléctrica entre los devanados que se realiza

internamente. Con esta conexión se consigue una mayor potencia nominal con un

empleo similar de chapa magnética y conductor. Como contrapartida se pierde el

aislamiento galvánico entre los devanados. En la siguiente figura se tiene el circuito

INTRODUCCIÓN

7

monofásico equivalente de un autotransformador, dónde puede apreciarse como

ambos devanados tienen parte en común dando lugar a continuidad eléctrica entre

ambos lados del autotransformador.

Ilustración 3: Circuito equivalente monofásico de un autotransformador [4].

De manera general, se suele hacer referencia como transformadores tanto a los

transformadores como a los autotransformadores.

1.2.5 Transformadores con características eléctricas especiales

Dentro de este grupo cabe destacar los transformadores desfasadores.

Un transformador desfasador es un transformador en el que el desfase angular entre el

sistema de tensiones primario y secundario se puede variar dentro de un margen de

regulación alrededor del índice horario. El índice horario es el desfase entre ambos

sistemas que viene determinado por el grupo de conexión de manera fija en el caso de

un transformador trifásico convencional.

Esta regulación del desfase entre ambos sistemas de tensiones permite actuar sobre el

flujo de potencia a través del transformador. La capacidad de regulación de la

potencia en un transformador desfasador tiene dos utilidades claras cuando a través

del mismo se conectan dos sistemas de potencia [1]:



8

Regulando el flujo de potencia entre ambos sistemas en el caso de que

solo se conecten mediante el transformador desfasador.

Evitando que se produzcan recirculaciones de potencia entre los distintos

transformadores instalados en paralelo.

El retraso u adelanto del sistema de tensiones se produce mediante la acción de una

reactancia serie regulable, este efecto se puede conseguir a través de distintas

configuraciones.

1.3 Proceso de fabricación

El proceso de fabricación se lleva en su totalidad en la fábrica. El montaje se lleva a

cabo de manera lineal. Aunque cada unidad sea diseñada en detalle individualmente y

necesite de una planificación individual de todo el proceso, pasa de una manera u otra

por una serie de etapas o áreas de montaje comunes a todas ellas. Estas etapas son

prácticamente las mismas, salvo en lo relativo al núcleo y las bobinas, que varían

según la forma constructiva del núcleo.

1.3.1 Ingeniería de diseño

En base a los requerimientos del cliente se realiza el diseño en detalle del

transformador. También se diseña el protocolo o plan de ensayos, es decir, los

ensayos a realizar, sus condiciones de realización y las garantías o compromisos

contraídos en relación a los resultados. Todo el trabajo se enmarca dentro de una

planificación que abarca desde la contratación hasta la instalación de la máquina en su

ubicación final.

INTRODUCCIÓN

9

1.3.2 Bobinaje

Esta área es la encargada de construir las bobinas. Las bobinas se arrollan sobre un

husillo de madera. En el caso de los transformadores de columna, las bobinas se

construyen de una pieza. Sin embargo, para el caso de transformadores acorazados se

construyen las distintas galletas que se almacenarán de manera separada. Este proceso

se puede observar en la Ilustración 4.

Ilustración 4: Apilado de bobinas de un transformador acorazado [5].

Las bobinas producidas en esta fase se almacenan hasta ser montadas en un ambiente

de humedad controlada para evitar su deterioro ya que el material aislante, cartón y

papel, tiene tendencia a absorber la humedad ambiente perjudicando sus cualidades.

1.3.3 Apilado y montaje

En esta etapa se construye el núcleo del transformador. Éste se forma mediante el

apilado de chapa magnética. Los núcleos se montan en zonas separadas según sean de

columnas o acorazados.

Los tipos columna se montan en su posición definitiva, con las columnas en vertical.

Una vez que quedan montadas la culata y las columnas se calan las bobinas que



10

conforman las distintas fases. Una vez hecho esto se pasa a apilar chapa para formar

el yugo y montar las vigas de apriete que dan solidez al conjunto, el resultado puede

verse en la Ilustración 5.

Ilustración 5: Núcleo tipo columnas montado con vigas de apriete [6].

Las cubas de los transformadores acorazados se dividen en tres piezas, una inferior

que hace las veces de fondo, una intermedia que está abierta en su parte inferior y

superior y una parte superior que hace de tapa. Las bobinas de los transformadores

acorazados se montan en la pieza inferior de la cuba. En esa posición se apila la chapa

del circuito magnético, como puede verse en la Ilustración 6.

Ilustración 6: Apilado del núcleo de un transformador acorazado [5].

INTRODUCCIÓN

11

Una vez se acaba de montar el núcleo con las bobinas, se realizan las conexiones

internas de los devanados, tras esto se inserta todo el conjunto en la cuba, como puede

observarse en la Ilustración 7.

Ilustración 7: Montaje de bobinas y núcleo tipo columnas en la cuba [6].

De la misma manera, en el caso de los transformadores acorazados, una vez que se ha

terminado de construir el núcleo y se han realizado todas las conexiones internas, se

colocan el resto de piezas que forman la cuba como puede verse en la Ilustración 8.

Ilustración 8: Vista explosionada de un transformador acorazado [5].



12

1.3.4 Terminación

En esta área se lleva a cabo el resto de operaciones que son necesarias de realizar

antes de que el transformador pase al Laboratorio de Ensayos. Algunas de estas son:

montaje y conexión de los cuadros de protección y control, montaje del sistema de

refrigeración, montaje de la tapa y las bornas… En esta etapa también se realiza una

inspección general del transformador para comprobar que todos los elementos están

montados correctamente. Finalmente se rellena el transformador con aceite dieléctrico

antes de pasar al Laboratorio de Ensayos. En la Ilustración 9 y la Ilustración 10 puede

verse el aspecto exterior que presentan los transformadores tipo columnas y

acorazados al finalizar esta etapa.

Ilustración 9: Transformador de columnas [6].

INTRODUCCIÓN

13

Ilustración 10: Transformador acorazado [6].

1.3.5 Ensayos

La mayor parte de ensayos se realizan en el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión.

En los siguientes apartados se profundizará en los ensayos que se realizan en el

mismo.

1.3.6 Expedición

En esta área se prepara el transformador para el transporte, realizándose las tareas

necesarias previas al transporte. Entre otras, se realizan las tareas de vaciar el aceite

dieléctrico, retirar los elementos que aumentan el galibo o que pueden dañarse como

durante el transporte, por ejemplo las cabinas, el sistema de refrigeración, las

bornas… Previo al transporte se llena el transformador con presión positiva de aire

seco para evitar que entre humedad exterior.



14

1.4 Ensayo de transformadores de potencia

A lo largo de su vida útil, un transformador es sometido a diversos ensayos. Gran

parte de ellos comienzan durante el proceso de fabricación, sucediéndose en distintos

momentos hasta la puesta en marcha una vez instalado en su lugar definitivo. Entre de

las razones más comunes por las que se realizan ensayos a transformadores[7] se

pueden encontrar:

Cumplimiento de las especificaciones del usuario.

Aseguramiento de la calidad.

Verificación del diseño.

Cumplimiento con las normas industriales

El grupo de ensayos con más importancia es el que se realiza sobre los

transformadores una vez montados y rellenos de aceite en el Laboratorio de Ensayos

en Alta Tensión. Este grupo de ensayos no sólo es el más importante en cuanto a

aspectos de verificación y control de la calidad, sino también por el número y tipo de

ensayos, riesgos que implican y tiempo empleado en los mismos.

En la Ilustración 11 se observa un esquema de los momentos más importantes en los

que se realizan ensayos y los objetivos principales de los mismos.

Ilustración 11: Realización de ensayos previos a la puesta en marcha.

Apilado y montaje

•Circuito magnético

•Circuito eléctrico

Terminación

•Varios

•Conexiones bornas

Laboratorio de Ensayos

•Mayoría

•Protocolo de ensayos

En destino

•Daños durante el transporte

INTRODUCCIÓN

15

1.4.1 Papel de los ensayos en el negocio de los transformadores de potencia

El plan de ensayos se conforma junto al cliente durante la contratación. En él se

definen los ensayos a los que se someterán los transformadores, estableciendo las

normas por la que se deberán regir y las condiciones que se deberán mantener durante

los mismos. Además se marcan el valor de determinadas características que el

transformador deberá cumplir, habiendo de ser garantizados por parte del fabricante.

Los ensayos constituyen un medio objetivo para conocer las características reales del

transformador. Sus resultados permiten juzgar la calidad y verificar el buen estado del

mismo, permitiendo detectar posibles defectos ya sea en materiales o en la

fabricación.

Desde el punto de vista del cliente, son un medio esencial para verificar el

cumplimiento de las especificaciones solicitadas. Para el cliente es necesario que el

transformador cumpla con diversas normativas, ya sea de carácter internacional,

estándares propios de ciertas industrias, normas impuestas por la legislación de su país

o normativas de carácter propio.

Además, son útiles para conocer información necesaria acerca de algunas

características, como pueden ser valores de impedancias de cortocircuito, impedancias

homopolares, valores de capacidad o curvas de respuesta en frecuencia. Estas

características son de especial importancia a la hora de llevar a cabo ciertas tareas,

como previsiones de carga, configuración de protecciones, modelado de instalaciones

o diagnosis y mantenimiento futuro.

Por parte del fabricante también son un elemento de especial importancia. A través de

los resultados puede verificar el cumplimiento de su plan interno de aseguramiento de

la calidad. Además, hay que tener en cuenta la importancia de la imagen corporativa

dentro de este negocio ya que los transformadores son máquinas de un elevado coste

donde se deposita una gran responsabilidad de cara al resto de una instalación

eléctrica. Por otro lado, los resultados de los ensayos se pueden emplear como

realimentación del proceso de diseño, obteniendo información muy valiosa para

mejorar el conocimiento sobre los métodos de cálculo empleados.



16

Finalmente, también cabe mencionar que algunos ensayos se emplean para verificar

que el transformador no ha sufrido daños durante operaciones como el transporte. Por

lo tanto, estos ensayos, como puede ser el análisis de respuesta en frecuencia, son un

elemento crucial a la hora de dirimir la responsabilidad ante un problema de este tipo,

determinando de quién corre los gastos necesarios para subsanar los daños.

1.4.2 Normativa aplicable en los ensayos

El campo de de ensayo de transformadores está altamente normalizado. Las normas

relativas a éstos definen qué ensayos son de aplicación según la máquina, bajo qué

condiciones y cuáles son los métodos de cálculo y criterios bajo los que se consideran

los resultados satisfactorios.

Las normas con mayor implantación a nivel mundial son IEE Std C57.12.00[8] y IEC

60076-1 [9]. En Europa se emplea la norma IEC 60076. De ésta, existe su versión

oficial en castellano en la norma UNE-EN 60076-1 [10].

Además de estas dos normas, en algunos países pueden existir normas nacionales.

Estas suelen consistir en adaptaciones o desarrollos basados en las normas publicadas

por IEC y IEEE.

En definitiva, las normas a aplicar en cada caso dependen del cliente o usuario final al

que va destinado el transformador según su país de procedencia.

En este estudio se ha decidido tomar como referencia principal a las normas

IEC/UNE-EN en vigor. Contemplar otras normas carece de interés, no sólo porque no

existan grandes diferencias, sino porque en la mayoría de casos solo supondrán

criterios similares o pequeñas variaciones.

Las normas IEC/UNE-EN establecen la clasificación de los distintos ensayos en tres

categorías según la obligatoriedad de llevarlos a cabo:

Ensayos individuales, conocidos también como de rutina:

INTRODUCCIÓN

17

Un ensayo que se realiza sobre cada transformador de manera individual

[10].

Ensayos de tipo:

Un ensayo que se realiza sobre un transformador que es representativo de

otros transformadores, para demostrar que estos transformadores cumplen

con las condiciones especificadas no cubiertas por los ensayos individuales:

Se considera que un transformador es representativo de otros si está

construido de acuerdo con los mismos planos, utilizando las mismas

técnicas y materiales, y en la misma fábrica [10].

Ensayos especiales:

Un ensayo diferente a un ensayo de tipo o a un ensayo individual, definido

por acuerdo entre fabricante y comprador [10].

En relación a la clasificación anterior de los ensayos en rutina, tipo y especiales, hay

que destacar que un ensayo determinado puede clasificarse de distinta manera

atendiendo a las características del transformador. Como ejemplo puede ponerse la

medida de las pérdidas y de la corriente de vacío al 90 % y al 110 % de la tensión

asignada, considerándose un ensayo tipo en caso de que la misma sea inferior a 72,5

kV e individual en caso contrario.

1.4.3 Ensayos realizados en el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión

A continuación se presenta una breve relación de algunos ensayos que se realizan en

el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión. A modo ilustrativo se han incluido una

serie de tablas para mostrar los datos que sobre los distintos ensayos se proporcionan

al cliente en el informe de ensayos. Esta descripción se ha llevado a cabo teniendo en

cuenta las características generales de los transformadores fabricados ya que algunos

aspectos varían en función de las características particulares de cada máquina. La

decisión de incluir en la relación los distintos ensayos está basada en que la

realización de los mismos implique el uso de la instalación eléctrica de alimentación



18

del Laboratorio en la cual se centra este proyecto.

Ensayos individuales o de rutina

Medición de la impedancia de cortocircuito y de las pérdidas debidas a la

carga

Este ensayo se considera como un ensayo de rutina por Std. C57.12.00 [8], IEC

60076-1 [9] y UNE-EN 60076-1 [10].

Con este ensayo se mide la impedancia de cortocircuito equivalente y las pérdidas en

cortocircuito asociados a cada arrollamiento.

Para realizarlo se cortocircuita uno de los arrollamientos mientras que se alimenta el

otro. La tensión de la alimentación se aumenta hasta alcanzar la intensidad nominal

del arrollamiento. En la Ilustración 12 se puede observar un esquema descriptivo de la

conexión para el ensayo de cortocircuito, en el se representa el ensayo de un

transformador estrella-triángulo, cortocircuitado en el arrollamiento en triángulo

(habitualmente lado de menor tensión), compensando parte de la potencia reactiva a

través del transformador de ensayos. También se puede ver los transformadores de

intensidad y tensión que proporcionan las señales a los instrumentos de medida

ubicados en la sala de control.

INTRODUCCIÓN

19

Ilustración 12: Ensayo de medición de la impedancia de cortocircuito y de las

pérdidas debidas a la carga.

El sistema de medida suele consistir en un vatímetro especializado para los bajos

factores de potencia que se dan en el ensayo. Este vatímetro mide el sistema de

tensiones e intensidades que le llegan desde los transformadores de medida. Con este

sistema se obtienen las tensiones, las intensidades así como la potencia activa, reactiva

y factor de potencia de cada fase.

Durante el ensayo se registra la temperatura del aceite en los puntos donde alcanza los

valores extremos, es decir, en la parte superior cercano a la tapa y en el fondo de la

cuba. Como temperatura de referencia para el ensayo se toma la media de estos

valores extremos. Para que el ensayo sea válido, las medidas de impedancia y

potencia de pérdidas deben de realizarse con el transformador en equilibrio térmico.

Como criterio de aceptación de que el transformador se encuentra en equilibrio

térmico, se establece una diferencia máxima entre la temperatura máxima y mínima

de 5 K.

Los resultados de las medidas, es decir, tensión de cortocircuito, impedancia y

pérdidas; se refieren a la temperatura de 75 ºC para las normas IEC y a 85 ºC para

normas IEEE. En caso de que las condiciones durante el ensayo difieran de las de

referencia, siempre dentro de unos márgenes de tolerancia establecidos, se emplean

fórmulas para referenciar los resultados a las temperaturas normalizadas.

Para el caso de los transformadores de tres devanados, el ensayo se realiza tres veces,



20

alimentando cada vez por un devanado, cortocircuitando otro y dejando en abierto el

tercero. De esta manera se obtienen los datos para cada pareja de devanados por los

que circula la corriente, permitiendo después calcular los tres valores individualmente.

Tanto la impedancia de cortocircuito como las pérdidas en carga son especificaciones

de diseño. El valor de impedancia de cortocircuito tiene especial importancia en la

operación del transformador, siendo un valor necesario de conocer para la conexión

de transformadores en paralelo o la configuración de las protecciones. La potencia de

pérdidas en carga tiene un peso muy importante en el conjunto de las pérdidas totales

siendo por tanto un valor fundamental dentro del rendimiento del transformador.

Además, para el ensayo de calentamiento es preciso conocer el valor de la potencia de

pérdidas en carga.

A continuación, en la Tabla 1, puede verse los resultados que se muestran al cliente

del ensayo entre los devanados primario y secundario para el caso de un

transformador monofásico. Entre paréntesis se muestran los valores garantizados, en

el caso de las pérdidas se acuerda un valor máximo y en el de la impedancia, al ser un

valor de diseño, se garantiza una tolerancia máxima.

INTRODUCCIÓN

21

Tabla 1: Ensayo de cortocircuito IEEE a transformador trifásico, informe.

Ensayo de cortocircuito

Conexión Medida Corrección

Toma Vnom T V I Pcc Pcc εcc

1 241,5 kV 35,5 ºC 29,3 kV 2694,0 A 1801,9 kW 1760,7 kW 12,06 %

2 235,8 kV 35,5 ºC 28,1 kV 2746,0 A 1810,7 kW 1769,5 kW 11,93 %

3 230,0 kV 35,5 ºC 27,6 kV 2818,0 A 1839,7 kW 1798,5 kW

(1799,0 kW)

11,99 %

(11,90 %)

4 224,3 kV 35,5 ºC 26,6 kV 2881,7 A 1843,5 kW 1802,3 kW 11,87 %

5 218,5 kV 35,5 ºC 25,8 kV 2953,7 A 1854,6 kW 1813,4 kW 11,83 %

Transformador trifásico

1120 MVA 60 Hz Ynd1 FOA 65 ºC

230±2×2.5 % / 18,1 kV 2811,4 A / 35726 A

Medición de las pérdidas y corriente de vacío

Se considera ensayo de rutina por Std. C57.12.90 [8], IEC 60076-1 [9] y UNE-EN

60076-1 [10]. La corriente de vacío de un transformador viene determinada por la

característica magnética del núcleo. Se descompone de manera simplificada en una

parte de potencia de pérdidas y en otra de potencia reactiva consumida por la

reactancia equivalente.

Las pérdidas se dividen en tres componentes: pérdidas en el núcleo magnético,

pérdidas dieléctricas y pérdidas resistivas en el devanado primario. La parte de mayor

importancia es la correspondiente a las pérdidas en el núcleo magnético, frente a ésta,

las dos últimas son prácticamente despreciables. Las pérdidas en el núcleo, se pueden

dividir a su vez en pérdidas debidas al ciclo de histéresis del propio núcleo y a

pérdidas por circulación de corrientes parasitarias o de Foucault.

Las pérdidas en el núcleo magnético constituyen suponen una gran cantidad de

energía a lo largo de la vida útil del transformador, siendo un valor de diseño del

mismo.

A través de este ensayo se mide el valor de la corriente y de las pérdidas en vacío del

transformado. Las normas indican que la temperatura del transformador debe de ser la



22

temperatura ambiente de la fábrica. La medida de intensidad y potencia se realiza

alimentando un devanado mientras que el resto de devanados se sitúan en sus tomas

medías y las bornas permanecen desconectadas. La alimentación del devanado bajo

ensayo se debe hacer en condiciones nominales de la toma escogida, es decir, a

frecuencia nominal y a la tensión correspondiente. Además, también debe realizarse el

ensayo al 90 % y 110 % de la tensión nominal [10]. En la Ilustración 13 se puede

observar el esquema de conexión durante el ensayo de medición de las pérdidas y

corriente de vacío.

Ilustración 13: Ensayo de medida medición de las pérdidas y corriente de vacío.

Las normas marcan distintos requisitos, el más importante es el referido a la calidad

de onda de tensión de la alimentación ya que el resultado de la medida de las pérdidas

se puede ver gravemente afectado por la distorsión de la onda de tensión. La

distorsión en la tensión es un factor limitante en laboratorios dedicados al ensayo de

transformadores.

La norma IEC 6076-1 [10] marcan un límite de distorsión del 3 % de la tensión a

través del factor d, calculado como:

INTRODUCCIÓN

23

Donde:

Es la tensión media durante un semiperiodo

U Es la tensión eficaz

En el caso de una onda senoidal pura, el valor de d sería igual a cero. En caso de que

el factor d supere el límite del 3 % se deja al acuerdo de cliente y fabricante la

aceptación de los resultados. El factor d se emplea también para corregir el valor

medido de pérdidas por la influencia de la distorsión de la tensión mediante la

expresión:

Donde:

Pom Es el valor de pérdidas medido

Po Es el valor de pérdidas corregido

En la norma IEE Std C57.12.90 [11] se definen su fórmula de corrección y criterios

de aceptación propios, distintos de los establecidos en IEC/UNE-EN.

En la Tabla 2 se tiene los resultados del ensayo a un transformador monofásico según

normas IEC mostrados en el informe.



24

Tabla 2: Ensayo de vacío IEC a transformador monofásico, informe.

Ensayo de vacío

Medidas Corrección Garantía V 1,11×VAV Vrms I Pom Po I Po

110 % 23,9 kV 24,59 kV 70,74 A 269,1 kW 261,3 kW 0,24820 %

105 % 21,5 kV 22,01 kV 23,41 A 201,7 kW 196,9 kW 0,08214 %

100 % 20,1 kV 20,49 kV 12,03 A 165,4 kW 162,2 kW 0,04221 % 178,0 kW

95 % 19,0 kV 19,24 kV 8,63 A 142,0 kW 140,1 kW 0,03029 %

90 % 18,0 kV 18,13 kV 7,41 A 124,1 kW 123,0 kW 0,02600 %

Transformador monofásico

570 MVA Ynd1 50 Hz

405 / √3 ± 2,47% / 20 kV 2437,7 / 28500 A

Ensayo de tensión soportada aplicada con corriente alterna

Se trata de un ensayo individual en IEE Std C57.12.00 [8], IEC 60076-3 [12] y UNE-

EN 60076-3 [13].

Según UNE-EN 60076-3: el objeto de este ensayo es verificar la rigidez dieléctrica

con corriente alterna de los bornes de línea y de neutro, y sus arrollamientos

conectados a tierra y a otros arrollamientos [13].

UNE-EN 60076-3 [13] prescribe los niveles de tensión a aplicar durante el ensayo

según la tensión más elevada para el material del devanado de mayor tensión.

Durante el ensayo, el transformador no se magnetiza. Los terminales de cada

arrollamiento se deben cortocircuitar entre sí. El ensayo se realiza a cada

arrollamiento, aplicando la tensión de ensayo a todos los bornes del mismo mientras

que todos los bornes del resto de arrollamientos se conectan a tierra. La tensión se

debe aplicar a la frecuencia para la que está diseñado el transformador, siendo el

mínimo admisible el 80 % del valor nominal. De esta forma el ensayo de tensión

soportada aplicada con corriente alterna supone una carga monofásica para la

alimentación.

El procedimiento a seguir durante el ensayo, es aplicar durante 60 s la tensión de

ensayo. El resultado se considera satisfactorio si durante ese tiempo no se produce el

INTRODUCCIÓN

25

colapso de la tensión ni se aprecian ningún indicio de fallo, como puede ser la

aparición de ruido, humo, aumento de la corriente… Transcurrido el tiempo se

desconecta la máquina reduciendo la tensión de la manera más rápida posible.

Las pérdidas son prácticamente despreciables, produciéndose solo en el circuito de

alimentación y una parte mínima en el aislamiento dieléctrico. Al presentarse el

transformador bajo ensayo como una carga capacitiva para la alimentación, es

necesario tomar una serie de precauciones. Para evitar el riesgo de autoexcitación en

la alimentación se suele conectar reactancias de compensación que consumen la

energía reactiva generada y dispositivos para limitar las posibles sobretensiones. Un

tipo de dispositivo muy común para limitar las sobretensiones son las llamadas vías

de chispas, también conocidas por su nombre en inglés como Chopping Gaps, las

cuales son una sucesión de esferas separadas por una distancia de aire que se puede

regular con la finalidad de que al alcanzar una determinada tensión se produzca la

descarga entre las distintas esferas. En la Ilustración 14 se puede observar un esquema

simplificada del modo de conexión para la realización del ensayo de tensión aplicada,

en el se muestra el transformador de ensayos conectado en monofásico que alimenta a

su vez a un transformador elevador que aplica la tensión del ensayo. Además se

observan los puntos de conexión de la vía de chispas, para proteger descargar la

tensión en caso de que se descontrole; y el divisor capacitivo a través del cual se

realiza la medida de la tensión aplicada.

Ilustración 14: Ensayo de tensión soportada aplicada con corriente alterna.

En la Tabla 3 se tiene los datos que se proporcionan al cliente sobre el ensayo de

tensión aplicada, en el se incluyen a qué devanados se han puesto a tensión y durante



26

cuánto tiempo.

Tabla 3: Ensayo de tensión soportada aplicada IEEE a transformador trifásico,

informe.

Ensayo de tensión soportada aplicada

Terminales alimentados V Tiempo

H1-H2-H3-H0

Devanado de alta tensión 34 kV 60 s

X1X1’-X2X2’-X3X3’

Devanado de baja tensión 50 kV 60 s

Ensayo de tensión soportada inducida con corriente alterna

Se trata de un ensayo individual en IEE Std C57.12.00 (tensión más alta del material

superior a 115 kV) [8] IEC 60076-3 [12] y UNE-EN 60076-3 [13] (tensión más alta

del material superior a 72,5 kV en arrollamientos de aislamiento uniforme).

El objetivo del ensayo de tensión soportada inducida es someter el aislamiento, no

solo entre arrollamientos sino entre fases de un mismo arrollamiento y espiras de la

misma fase, a sobretensiones con el fin de comprobar su buen estado. La medida de

descargas parciales proporciona un método para cuantificar el estado del aislamiento,

además de proporcionar una información muy valiosa para investigar los posibles

fallos que el transformador pudiera presentar.

Existen dos variantes, de larga y de corta duración. Normalmente, el ensayo de

tensión inducida se lleva a cabo con medida de descargas parciales. Una descarga

parcial, de manera simplificada, es la aparición de un arco eléctrico en el seno del

dieléctrico, aislante o aceite, que no llega a cruzar todo el aislamiento. Las descargas

parciales están asociadas a defectos en el aislante que reducen la capacidad del mismo

o provocan efecto corona creando gradientes de campo eléctrico superiores a los

contemplados en el diseño, por ejemplo: cavidades, elementos metálicos extraños,

daños en el aislante…

La medida del nivel de descargas parciales se realiza mediante equipos diseñados para

INTRODUCCIÓN

27

medir el ruido de alta frecuencia que producen las descargas parciales. Según los

patrones de ruido presente se puede intuir el tipo de defecto y analizando la presencia

del mismo en cada fase se puede estimar su posición dentro del transformador. Los

distintos defectos posibles tienen reflejos distintos en la medida de la corriente,

distintos momentos de fase en el que se producen, polaridad, frecuencia… La medida

del nivel de descargas parciales se hace a través de las bornas capacitivas del

transformador que permiten un acoplamiento capacitivo con el conductor.

En la Ilustración 15 se puede ver el esquema de un corte transversal de una borna

capacitiva. Una borna capacitiva de aceite se compone de un aislante, típicamente

cerámico, relleno de aceite, dentro del cual se encuentra el conductor aislado

generalmente por capas de papel impregnado con pantallas electromagnéticas

intercaladas. Entre el conductor y masa se establece una capacidad equivalente a

través de las distintas pantallas. Algunas de ellas son eléctricamente accesibles desde

el exterior, proporcionando distintas tomas del divisor capacitivo que se establece

entre conductor y masa. Conectando a estas tomas el equipo de medida, se capta el

ruido electromagnético debido a las descargas parciales.

Ilustración 15: Sección transversal de una borna capacitiva [14].

El nivel de ruido de descargas parciales se mide en picoculombios, las normas marcan

unos límites aunque en la práctica se suele fijar unos niveles de garantía mediante

acuerdo entre fabricante y cliente. La medida de descargas parciales es por tanto un

Conductor

Toma

capacitiva

Aislante

cerámico

Aceite

dieléctrico

Tapa del

transformador

Pantallas



28

instrumento muy valioso, ya que permite no sólo detectar fallos sino que facilita su

investigación al proporcionar información acerca del tipo y su localización.

El ensayo se realiza alimentando el transformador con tensión alterna a un valor de

sobretensión determinado por las normas. El nivel de tensión que se aplica es superior

al nominal del transformador de manera que para evitar la saturación del núcleo

magnético, el ensayo se realiza a una frecuencia superior a la nominal. La frecuencia

de ensayo es típicamente del orden del triple de la nominal.

En la Ilustración 16 se tiene un esquema simplificado del ensayo con impedancias

para filtrar el ruido de alta frecuencia proveniente de la alimentación, también se

muestra la conexión a los acoplamientos capacitivos de las bornas del equipo de

medida de descargas parciales.

Ilustración 16: Ensayo de tensión soportada inducida con medida de descargas

parciales.

La tensión se aplica de manera creciente siguiendo una serie de escalones hasta llegar

a la tensión máxima del ensayo. Las normas marcan los niveles de tensión y el tiempo

al que se debe someter el transformador en cada fase. El criterio de aceptación es que

la medida de descargas parciales no supere los límites máximos ni arroje patrones que

INTRODUCCIÓN

29

puedan indicar la presencia de defectos graves. Además, la medida de las descargas

parciales no puede crecer sostenidamente. De igual manera que en el ensayo de

tensión soportada aplicada, la tensión de ensayo no debe colapsar ni presentarse en el

transformador síntomas de fallo. En la Tabla 4 se tienen los resultados mostrados al

cliente del ensayo, incluyendo el tiempo de duración del ensayo de tensión soportada

inducida y los resultados de las medidas de descargas parciales para cada tiempo y

tensión.

Tabla 4: Ensayo de tensión soportada inducida IEC con medida de DP a

transformador monofásico, informe.

Ensayo de tensión soportada inducida con medida de DP

Arrollamiento ensayado: Alta tensión 630,00 kV ( 175 %), 34 s

Medida de descargas parciales

Tiempo Tensión Descargas parciales

0 s 0,0 kV 0 % 43 pC

5 min 266,7 kV 110 % 57 pC

0 s 363,7 kV 150 % 82 pC

5 min 363,7 kV 150 % 82 pC

34s 412,2 kV 170 % 82 pC

0 s 363,7 kV 150 % 62 pC

5 min 363,7 kV 150 % 55 pC

10 min 363,7 kV 150 % 54 pC

15 min 363,7 kV 150 % 53 pC

20 min 363,7 kV 150 % 45 pC

25 min 363,7 kV 150 % 42 pC

30 min 363,7 kV 150 % 46 pC

35 min 363,7 kV 150 % 44 pC

40 min 363,7 kV 150 % 48 pC

45 min 363,7 kV 150 % 45 pC

50 min 363,7 kV 150 % 49 pC

55 min 363,7 kV 150 % 50 pC

1h 0 min 363,7 kV 150 % 49 pC

5 min 266,7 kV 110 % 47 pC

0 s 0,0 kV 0 % 46 pC

Garantía (110 %) 100 pC Garantía (60 min 150 %) 500 pC

Transformador monofásico

570 MVA Ynd1 50 Hz

405 / √3 ± 2,47% / 20 kV 2437,7 / 28500 A

Se deben mantener unas condiciones mínimas en cuanto al ruido eléctrico en la

instalación para poder apreciar las descargas parciales. Las normas suelen imponer



30

límites de ruido de fondo, además, se debe evitar la presencia de efecto corona,

especialmente en las bornas de mayor tensión ya que se percibe como ruido de

descargas parciales internas del transformador impidiendo la medida de las mismas.

Ensayos tipo

Ensayo de calentamiento

Es un ensayo considerado como ensayo tipo por Std C57.12.00 [8], IEC 60076- 1 [9]

y UNE-EN 60076-1 [10].

El ensayo de calentamiento tiene como objetivo verificar el correcto funcionamiento

del transformador en el aspecto térmico. El calentamiento se define como la

diferencia entre la temperatura de la parte bajo consideración y la temperatura del

medio de refrigeración externo [15]. En Las normas IEC/UNE imponen los

calentamientos admisibles para cada punto con la potencia asignada del transformador

en función del tipo de aislante.

Existen diversos métodos para llevar a cabo este ensayo pero todos tienen como

objetivo producir en el transformador las pérdidas correspondientes al funcionamiento

a plena potencia. En el caso de los transformadores de gran potencia no resulta

práctico o incluso posible hacer que el transformador entregue en el secundario la

potencia nominal ya que se necesitaría una carga con un gran consumo. Por esto, el

método que se suele emplear es el de cortocircuito. En el método de cortocircuito, la

manera de conectar los terminales secundarios es similar a la realizada para el ensayo

de medida de pérdidas en carga.

Antes de realizar el ensayo es necesario conocer el valor de las distintas pérdidas. Una

vez cortocircuitado, se alimenta a la tensión necesaria para alcanzar el valor de las

pérdidas totales, lo que se corresponde con un valor un poco superior al de la tensión

de cortocircuito. De esta manera se consigue simular el calentamiento correspondiente

a las pérdidas totales en la transferencia desde los devanados hasta el sistema de

refrigeración. De esta forma se sustituyen las pérdidas en el núcleo para reproducirlas

INTRODUCCIÓN

31

en su totalidad en el circuito eléctrico.

Las condiciones de ensayo en cuanto a temperatura ambiente y ventilación se

controlan para normalizar el funcionamiento del sistema de refrigeración durante el

ensayo.

El ensayo se realiza en dos fases que se planifican en distintos tiempos. En la primera

de ella, se calienta el transformador consumiendo la potencia equivalente a las

pérdidas totales. Esta fase se lleva a cabo durante un tiempo que depende de cada

transformador. En la segunda, se alimenta a corriente nominal. En esta fase es

necesario que se alcance el equilibrio térmico. Las normas marcan los criterios que se

deben considerar para considerar que la temperatura en el transformador se ha

estabilizado.

Durante el ensayo se recogen distintas medidas de temperatura, las más comunes son:

Temperatura del aceite en puntos significativos de la cuba y del sistema

de refrigeración; parte superior, parte inferior, radiadores superiores e

inferiores.

Puntos del aislante y del núcleo medida mediante sondas conectadas por

fibra óptica.

Finalmente, aparte de los datos de temperatura recogidos durante el ensayo, se toma

una medida de la temperatura media del conductor. Para realizarla, tras la segunda

fase, se debe desconectar la alimentación. En este momento y a la mayor brevedad

posible para que no se produzca un enfriamiento excesivo, se mide la resistencia de

los devanados. La temperatura media del cobre se mide a través de la relación de la

resistencia a en caliente y a temperatura ambiente. Esta temperatura se corrige debido

al enfriamiento que se produce en el tiempo que transcurre desde la desconexión hasta

que finaliza la medida de resistencia. Cuanto mayor es el volumen de aceite del

transformador menor variación se produce.

33

2 INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE

ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN

2.1 Introducción

Para llevar a cabo los ensayos, el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión dispone de

las siguientes dependencias: área de ensayos, sala de control, zona de baterías de

condensadores y sala de máquinas. En la Ilustración 17 se puede apreciar la

distribución de las mismas:

Ilustración 17: Dependencias pertenecientes al Laboratorio de Ensayos en Alta

Tensión.

Sala de máquinas

Área de ensayos

Sala de control

Baterías de condensadores



34

El área de ensayos tiene unas dimensiones en planta de 40 m x 40 m y una altura hasta

la cubierta de 35 m. Está comunicada a través de dos grandes portones con el taller y

la zona de expedición. En la Ilustración 18 puede verse un transformador instalado

para ser ensayado en esta área.

Ilustración 18: Transformador instalado en el área de ensayos [5].

El resto de accesos lo constituyen dos puertas en la barrera de seguridad y una tercera

puerta que comunica con un patio que sirve de distribuidor al resto de áreas. A parte

de ser una zona de paso entre las distintas áreas del Laboratorio, por este patio pasan

las distintas canalizaciones de conductores desde la sala de máquinas y las baterías de

condensadores hasta el área de ensayos.

La sala de control, Ilustración 19, está situada junto al área de ensayos, elevada en un

primer piso. Desde la misma se puede visualizar toda el área de ensayos. En la sala

está instalada la instrumentación de medida y el puesto de control del sistema

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), desde este punto se controla

toda la instalación del Laboratorio de Ensayos y se recogen los datos en la gran

mayoría de ensayos.

INSTALACIONES DEL LABORATORIO DE ENSAYOS EN ALTA TENSIÓN

35

Ilustración 19: Sala de control.

El patio sirve como distribuidor entre el área de ensayos, la zona de baterías y la sala

de máquinas. Tiene dos zonas diferenciadas, una, junto a la nave del área de ensayos

bajo su cubierta; el resto del área se encuentra a la intemperie y por ella discurren las

distintas canalizaciones de cables. En este patio se sitúan la cabina de seccionadores y

el transformador de ensayos secundario.

A las baterías de condensadores se accede desde el patio a través de una puerta situada

en la verja de separación. En esta zona se encuentran las baterías de condensadores y

los seccionadores que permiten conectar los distintos grupos de baterías, en la

Ilustración 20 puede verse la distribución de las mismas.

Ilustración 20: Baterías de condensadores.



36

La sala de máquinas ocupa una nave a la que se accede también desde el patio. En

esta sala se encuentran instalados los grupos generador-motor, las celdas con las

protecciones de los mismos y algunas de las celdas del autómata integrado en el

sistema SCADA así como el transformador auxiliar que se emplea para alimentar a

todos estos servicios. En la Ilustración 21 se puede observar la distribución dentro de

la sala de máquinas de los equipos más importantes.

Ilustración 21: Distribución de equipos en sala de máquinas.

En la Ilustración 22 se puede observar parte de las celdas del embarrado del

transformador principal y los motores de los grupos generador-motor 1 y 2.


37

Ilustración 22: Sala de máquinas.

2.2 Instalación eléctrica

El Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión posee dos puntos de conexión de los

cuales se alimenta. Del primero, proveniente del centro de transformación propio de la

fábrica, se alimenta la instalación principal. El segundo, consiste en grupo electrógeno

propio del Laboratorio de Ensayos.

2.2.1 Instalación principal

La instalación principal se alimenta directamente desde la subestación propia de la

fábrica. En esta subestación se encuentra un transformador de 10 MVA que convierte

la tensión de acometida a 20 kV a la tensión a la que se alimenta la sala de maquinas 5

kV.

El esquema eléctrico de la instalación principal es el mostrado en la Ilustración 23, el



38

mismo esquema se puede apreciar con más detalle en el Anexo: Esquemas y planos.

Ilustración 23: Esquema eléctrico de la instalación principal.

Del embarrado principal se alimenta al transformador auxiliar. Se trata de un

transformador trifásico, de aislante seco, potencia 1 MVA y relación de

transformación 5 kV / 400 V. Este transformador está destinado a alimentar a todos

los servicios de la sala de máquinas, es decir, todos los equipos del autómata, motores

de inducción, excitaciones de los grupos de generación, equipos de refrigeración, así

como las protecciones y aparatos de las cabinas de protección de los grupos. Además,

también se emplea para alimentar a las cabinas de los transformadores ensayados

cuando es necesario.

A parte del embarrado principal, existen dos embarrados conectados a cada uno de los

transformadores de ensayo y un cuarto embarrado conectado entre las baterías de

condensadores y los transformadores de ensayo. A través de las celdas de los

embarrados de los transformadores, se puede conectar cada uno de los grupos a cada

uno de los transformadores de ensayos. Estas celdas alojan toda la aparamenta,

interruptores y seccionadores aislados en hexafluoruro de azufre, necesaria para

operar con seguridad la instalación. En la Ilustración 24 puede verse las celdas

correspondientes al embarrado principal.


39

Ilustración 24: Celdas del embarrado principal.

Los motores de los grupos generador-motor se alimentan desde el embarrado

principal. Estos grupos se conectan a los transformadores de ensayos para

alimentarlos. Los grupos de generación consisten en una pareja de motor y generador,

es decir, dos máquinas síncronas acopladas entre sí, una funcionando como motor y

otra como generador. El motor se alimenta directamente a la red de 5 kV, siendo su

función arrastrar al generador. El generador alimenta al transformador de ensayos

empleado en cada caso. Las excitaciones de cada máquina consisten en un generador

de corriente continua accionado por un motor asíncrono. La excitación de estas

máquinas de continua se lleva a cabo mediante unas fuentes de tensión regulables, de

manera que permite un ajuste fino de la excitación variando la tensión de la

alimentación al transformador de ensayo.

La sala de máquinas cuenta con tres grupos motor-generador totalmente

independientes entre sí.

El primer grupo, conocido como generador principal, tiene la particularidad de que el

acople entre las dos máquinas se realiza con una caja de cambios, permitiendo generar

a 50 Hz o a 60 Hz según se necesite.

En el segundo grupo generador-motor 2 las dos máquinas giran acopladas

directamente generando a una frecuencia de 50 Hz.



40

En el grupo generador-motor 3 las dos máquinas giran acopladas directamente

combinando los números de pares de polos para generar una frecuencia de 175 Hz.

El autómata gestiona la operación de las cabinas, siguiendo las órdenes que se le

proporcionan desde la sala de control haciendo uso del SCADA, aunque también

existe la posibilidad de operar manualmente las cabinas.

Centro de transformación

La acometida de la compañía eléctrica llega al centro de transformación propio de la

fábrica en 20 kV y 50 Hz. En este centro, un transformador la convierte a 5 kV y la

distribuye al resto de la fábrica.

Las características de este transformador se indican en la Tabla 5.

Tabla 5: Centro de transformación, características

Transformador de centro de transformación

Tensión nominal 20 / 5 kV

Grupo de conexión Dyn11

Tensión de cortocircuito 7,5 %

Potencia 10 MVA

Aislamiento Aceite

Refrigeración ONAF

Transformador de ensayos principal

El transformador de ensayos principal está situado en el área de ensayos. Se trata de

un transformador de tres devanados, con potencia 240 MVA y tensión secundaria 144

kV. Su grupo de conexión es YNyn. Es de tipo constructivo acorazado, con

aislamiento en aceite y refrigeración forzada en aceite y aire.

Tiene una construcción especial ya que está dotado de seis bornas que permiten

realizar externamente las conexiones entre devanados, además de tres conmutadores


41

de tomas. En la Tabla 6 se muestran sus características. En la Ilustración 25 se puede

observar la parte superior del transformador.

Tabla 6: Transformador de ensayos principal, características.

Transformador de ensayos principal

Tensión nominal 3~144 / 22,5 / 6,3 kV

Grupo de conexión YNdyn

Potencia 240 / 230 / 10 MVA

Aislamiento Aceite

Refrigeración OFAF

Ilustración 25: Transformador de ensayos principal.

Devanado de alta tensión

Su tensión máxima es 144 kV y su potencia nominal 240 MVA.

En este devanado se encuentra instalado los tres conmutadores de regulación:

Conmutador 1: permite conectar el devanado en serie o en paralelo,

permitiendo alcanzar mayor tensión o intensidad según se desee.



42

Conmutador 2: permite conmutar entre cuatro escalones y cinco

posiciones proporcionando una regulación fina en intervalos de 3 kV.

Conmutador 3: conmutar entre cuatro escalones y cinco posiciones

proporcionando una regulación más gruesa que el anterior en intervalos

de 15 kV.

Además de la regulación proporcionada por los conmutadores, los extremos de las

tres fases del devanado tienen conexión exterior mediante bornas en la tapa. Esto

permite conectar mediante conductores amovibles el devanado en estrella con neutro

a tierra (conexión normal trifásica) o en estrella con fase a tierra (conexión para

ensayos monofásicos alimentados a dos fases).

En este devanado se encuentra un sistema de medida compuesto por transformadores

de intensidad y divisores de tensión capacitivos. Este sistema de medida es el

empleado para obtener los datos de los ensayos. Además, cuenta con un juego de

pletinas amovibles que permiten desconectar el transformador de ensayos de la

maquina ensayada fácilmente para realizar medidas.

Devanado de media tensión, generadores

Este devanado se conecta a los grupos motor-generador a través de los embarrados

instalados en la sala de máquinas. Su conexión es en estrella. Su tensión nominal es

6,3 kV y su potencia nominal 10 MVA.

Devanado de media tensión, compensación

Este devanado se conecta al las baterías a través de los interruptores destinados a ello.

Su tensión nominal es 22,5 kV y su potencia nominal 230 MVA. Su conexión es en

triángulo, si el ensayo es monofásico, el devanado funciona de manera desequilibrada.


43

Transformador de ensayos secundario

El transformador de ensayos secundario es de más antigüedad que el principal. Fue

empleado hasta la construcción del transformador principal, que vino a sustituirlo para

ampliar la capacidad del Laboratorio de Ensayos.

Se trata un transformador trifásico de tres devanados, de potencia 117 MVA, tensión

en el secundario de 96 kV. Su construcción es similar al principal, teniendo la misma

configuración de bornas y posibilidades que el principal. De igual manera cuenta con

tres conmutadores de tomas en vacío. Dos de estos conmutadores varían la relación de

transformación, uno de ellos en saltos finos y otro en saltos más gruesos. El tercero de

los conmutadores permite conectar las dos partes de cada devanado en serie o en

paralelo. Sus características se indican en la Tabla 7.

Tabla 7: Transformador de ensayos secundario, características.

Transformador de ensayos secundario

Tensión nominal 1~96 / 22,5 / 6,3 kV

Grupo de conexión YNdyn

Potencia 117 MVA

Aislamiento Aceite

Refrigeración OFAF

Debido a que fue sustituido por el transformador principal para repotenciar la

instalación, ha quedado relegado al uso durante ensayos de menor potencia cuando el

transformador principal no está disponible o bien se necesita realizar dos ensayos

simultáneamente.


En esta zona se encuentran instaladas las baterías de condensadores destinadas a

aportar energía reactiva a los ensayos. Las baterías se agrupan de manera trifásica en

cinco conjuntos. Disponen de seccionadores para conectar o desconectarlas en

pequeños grupos, además, también se pueden conectar de manera monofásica. Cada

batería está formada por un conjunto de condensadores monofásicos. En la Ilustración



44

20 se muestra la distribución de las mismas. Sus características eléctricas se indican

en la Tabla 8.

Tabla 8: Batería de condensadores, características.


Tensión máxima 6,5 kV

Frecuencia 50 / 60 Hz

Capacidad 26,37 µF

Potencia 350 / 420 kVAr (50 / 60 Hz)

Potencia total instalada

disponible: 200 / 240 MVAr ( 50 / 60 Hz)

Ilustración 26: Batería de condensadores.

Grupos motor-generador

La alimentación de la sala de ensayos se construyó haciendo uso de grupos de

generación. Cada grupo está formado por dos máquinas síncronas, una que actúa

como motor y otra como generador.


45

En la sala de máquinas se encuentran instalados tres grupos de generación, cada uno

está destinado a realizar unos determinados ensayos ya que proporcionan

alimentaciones a distintas frecuencias. En la Ilustración 27 puede verse las parejas

motor-generador de los grupos 1 y 2.

Ilustración 27: Grupos generador-motor 1 y 2.

El esquema empleado es de dos máquinas síncronas acopladas mecánicamente. En

primer lugar, una máquina que funciona como motor y que se alimenta directamente a

la subestación de la fábrica a 5 kV. En segundo lugar, otra máquina destinada a

funcionar como generador y que es accionada por la primera. Los ejes de ambas

máquinas están acoplados mecánicamente.

El transformador de ensayo es alimentado al generador. Al ser ambas máquinas

síncronas, la velocidad mecánica y la frecuencia generada son dependientes en base a

una relación a la frecuencia de la red y por tanto fijas.

La relación entre la frecuencia de alimentación y la generada se obtiene mediante el

número de polos de cada máquina y la relación de engranajes en el caso de que exista.

La tensión generada se controla a través de la excitación del generador, mientras que

la excitación del motor se mantiene fija.



46

Las excitaciones se alimentan con máquinas de continua de excitación independiente.

Éstas son accionadas por motores de inducción. La excitación de estas máquinas se

alimenta mediante fuentes de tensión regulables controladas por el autómata. El

esquema de este sistema puede verse en la Ilustración 28.

Ilustración 28: Excitación de grupos motor-generador.

La principal ventaja de este sistema es que la transferencia de energía al generador se

hace de manera mecánica, con lo cual se demanda al centro de transformación sólo la

energía activa necesaria para el ensayo evitando causar grandes caídas de tensión en la

instalación de la fábrica.

Otra ventaja a tener en cuenta es que un fallo eléctrico en el ensayo queda aislado del

resto de la instalación.

Como contrapartida, el arranque de los motores síncronos puede causar

perturbaciones en la instalación de la fábrica.

Grupo generador-motor 1

Este grupo tiene la particularidad de que el acoplamiento entre el motor y el generador


47

se realiza mediante una caja de cambios. Según se use una relación u otra, la

frecuencia que se obtiene en el generador puede ser 50 Hz o 60 Hz.

El arranque del grupo se realiza de manera asíncrona, esto es, conectando el motor de

manera directa a la red con el devanado inductor cortocircuitado. Una vez se ha

acelerado el motor, cerca de la velocidad de sincronismo, se abre el circuito inductor y

se alimenta con corriente continua.

Este grupo se puede emplear para ensayar transformadores tanto de 50 Hz como de 60

Hz, aunque normalmente se emplea para 60 Hz.

Sus características eléctricas se indican en la Tabla 9.



48

Tabla 9: Grupo generador-motor 1, características.


Motor

Potencia útil 4800 CV (3,53 MW)

Potencia eléctrica 3,65 MVA

Tensión nominal 5 kV

Frecuencia 50 Hz

Número de polos / velocidad de giro 3pares / 1000 r/min

Excitación 55 V / 263 A

Caja de cambios

Relaciones engranajes 1:1 / 10:12

Generador

Potencia nominal 10 MVA

Factor de potencia nominal 0,35

Tensión nominal 6,45 kV

Frecuencia 60 Hz

Numero de polos / velocidad 3 pares / 1200 r/min



El motor y el generador de este grupo están acoplados directamente, de manera que la

frecuencia generada está fijada a 50 Hz.

Normalmente, es el grupo que se emplea para los ensayos de máquinas destinadas a

funcionar a 50 Hz.



49

Tabla 10: Grupo generador-motor 2, características.


Motor

Potencia útil 4800 CV (3,53 MW)



Frecuencia 50 Hz

Número de polos / velocidad 3pares / 1000 r/min


Generador



Tensión nominal 6,45 kV

Frecuencia 50 Hz

Numero de polos /velocidad 3 pares / 1000 r/min

Excitación 49,4 V / 605 A


El motor y el generador de este grupo están acoplados directamente, aunque tienen

distinto número de pares de polos, para obtener una frecuencia de 175 Hz en el

generador.

Este grupo se arranca mediante un motor de arrastre. El motor de arrastre consiste en

un motor de inducción alimentado por un variador de frecuencia controlado por el

autómata. El motor de inducción va incrementando su velocidad progresivamente

según la alimentación del variador de frecuencia, cuando el motor del grupo llega a la

velocidad de sincronismo, el autómata se encarga de cerrar el interruptor para

acoplarlo a la red.

Este grupo se emplea para alimentar los ensayos de tensión inducida. En este ensayo,

todas las máquinas se alimentan a la misma frecuencia de 175 Hz,

independientemente de que su frecuencia nominal sea 50 Hz o 60 Hz.



50


Tabla 11: Grupo generador-motor 3, características


Motor

Potencia útil 1300 HP (969,41 kW)



Frecuencia 50 Hz

Número de polos / velocidad 2 pares / 1500 r/min


Generador




Frecuencia 175 Hz

Numero de polos /velocidad 7 pares / 1500 r/min

Excitación 49,4 V / 605 A

Motor de arranque

Potencia 132 kW

Tensión nominal 400 / 690 V 240 /139 A


Velocidad nominal 1488 r/min

Sistema de control

La instalación está controlada por un autómata programable. Este autómata se

encuentra integrado dentro del sistema SCADA.

En la sala de control se encuentran instalados dos ordenadores, desde cada uno de

ellos se puede controlar a través de un sistema SCADA un puesto de ensayos. El PLC

por tanto gobierna la instalación y la lógica de seguridad de los dos transformadores a

la vez.


51

Las funciones del sistema son:

Supervisión y mando del estado de los interruptores de la instalación.

Supervisión y mando del conmutador de tomas de los transformadores

de ensayos.

Adquisición de datos de los transformadores de medida de la instalación.

Control de las fuentes de alimentación destinadas a excitar a los grupos

motor-generador.

Control autónomo de la seguridad, asegurando el enclavamiento de los

accesos antes de conectar elementos a tensión.

2.2.2 Grupo electrógeno

El grupo electrógeno funciona alimentado por diesel, sus características son las

indicadas en la Tabla 12: Grupo electrógeno.

Tabla 12: Grupo electrógeno, características.

Grupo electrógeno

Tensión nominal 400 V (regulable)

Frecuencia nominal 50 / 60 Hz

Potencia nominal 165 kVA

La finalidad del grupo es alimentar las cabinas, tanto de refrigeración como de

control, y otros equipos auxiliares de los transformadores ensayados. Normalmente se

usa sólo para los transformadores que funcionan a 60 Hz. Cuando el transformador a

ensayar trabaja a 50 Hz, se prefiere alimentar desde el transformador auxiliar de la

sala de máquinas. En caso de 50 Hz, pero con tensión distinta a 400 V, también se

emplea el grupo electrógeno.

Por tanto, aunque durante la mayor parte de los ensayos se trabaje con el grupo, en

ningún caso alimenta al ensayo propiamente dicho.



52

2.3 Otros equipos y generadores en plataforma

En el interior del área de ensayos se encuentran el generador de impulsos y el

transformador para ensayos de tensión soportada aplicada.

2.3.1 Generador de impulsos

El Laboratorio de Ensayos cuenta con un generador de impulsos para la realización de

los ensayos de impulsos tipo rayo, rayo cortado en la cola y de maniobra. El

generador de impulsos es del tipo generador de Marx, consistente en una asociación

de condensadores y resistencias que se cargan en paralelo pasando a conectarse a serie

para provocar la descarga de los condensadores a través de una serie de explosores

para dar lugar a la onda de tensión deseada. En la Ilustración 29 se puede ver el

circuito equivalente del generador durante la carga (superior) y durante la descarga

(inferior). La carga se realiza a través de las resistencias de carga Rc con los

explosores o Spark Gaps manteniendo su aislamiento. Para la descarga, un dispositivo

(trigger) provoca una descarga entre el primer explosor, esto somete al siguiente a la

tensión de la primera capacidad. De esta manera se provoca la conexión en serie entre

tierra y el extremo superior del generador de todas las capacidades cuyas tensiones se

suman para generar la onda de impulso.

El generador de impulsos alcanza una tensión máxima de 3 MV con 450 kJ. Para los

ensayos de impulso tipo rayo cortado en la cola se conecta un equipo Chopping Gap.

Para la medida de la tensión del impulso se emplea un divisor capacitivo.

El generador se controla de manera independiente a la instalación de alimentación a

través de un sistema que integra el control y la recepción de las medidas de la onda de

tensión e intensidad correspondiente.


53

Ilustración 29: Generador de impulsos [16].

2.3.2 Transformador para ensayos de tensión soportada aplicada

Las mayores tensiones que es necesario alcanzar son las requeridas en los ensayos de

tensión aplicada a algunos transformadores. Durante este ensayo, la potencia eléctrica

es bastante inferior en comparación con la de otros ensayos. Para evitar los

inconvenientes de tener un transformador de ensayos capaz de alcanzar estas

tensiones, se optó por limitar su tensión a 144 kV. Para superar esta tensión, se

dispone de un transformador monofásico en la sala de ensayos capaz de llegar hasta

400 kV.

55

3 ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL

3.1 Introducción

En este capítulo se exponen cuáles son las distintas limitaciones que se presentan en la

actualidad para el Laboratorio de Ensayos en Alta Tensión.

Dichas limitaciones son de dos tipos, ambos relacionados con los grupos de

generación. Por un lado se tienen aspectos relacionados con la fiabilidad de la

instalación fruto del estado de conservación de los grupos de generación. Y por otro

lado las limitaciones relacionadas con la capacidad para hacer frente a las nuevas

necesidades que presentan los transformadores que se ensayan en la actualidad.

3.2 Estado de conservación de los grupos de generación

El principal problema, común a los tres grupos, es el mal estado de conservación de

los mismos debidos a su antigüedad. Cada grupo está formado por seis máquinas

electromecánicas, dos máquinas síncronas, generado y motor; dos excitaciones, cada

una de ellas formadas por un motor asíncrono y un generador de continua. De esta

manera, cada grupo consta de tres enlaces mecánicos con sus correspondientes

sistemas de engrase.

En el caso del grupo generador-motor 1, el enlace entre el motor y generador síncrono

se realiza mediante una caja de cambios de dos relaciones. Esto implica otro elemento

mecánico con necesidad de engrase.

El arranque del grupo generador-motor 3 se realiza mediante un motor asíncrono de



56

arranque conectado al eje principal mediante una correa de tracción.

Esta complejidad mecánica unida a la antigüedad de los equipos provoca la aparición

de distintos problemas, como pueden ser holguras y vibraciones; y en caso de fallo de

lubricación sobrecalentamiento con consecuencias como rotura, deformaciones o

gripado.

Una avería en alguno de estos elementos mecánicos supondría la parada obligada del

funcionamiento del grupo afectado. En caso de verse afectado el grupo generador-

motor 1 o el generador-motor 3, implicaría una limitación sería para el Laboratorio, ya

que imposibilitaría la realización de ensayos a 60 Hz o 175 Hz.

Como medida de prevención es fundamental llevar a cabo un programa adecuado de

mantenimiento preventivo de las máquinas. Si bien esto es cierto, también hay que

tener en cuenta que en caso de avería, la solución pasaría probablemente por la

sustitución de la misma.

Otro aspecto que se desea mejorar es el plan de actuación en caso de fallo del

suministro eléctrico. En un escenario en el que el suministro eléctrico fallase, ante la

necesidad de continuar con la actividad de la fábrica, cabría emplear grupos

electrógenos diesel. Esta solución, si bien es válida para la mayor parte de consumos

de la fábrica, no es viable para la alimentación principal del laboratorio de ensayos. La

potencia de los motores síncronos y su sistema de arranque supondrían un problema

de estabilidad para el generador encargado de alimentarlos.

3.3 Capacidad de ensayo del laboratorio de alta tensión

Este apartado se analiza cuáles son los problemas que se presentan en la instalación

desde el punto de vista de los distintos ensayos que se realizan empleando como

alimentación los grupos de generación.

Mediante contactos con los departamentos de ventas e ingeniería, se ha llegado definir

cuáles son las características que cabe esperar en los transformadores a medio-largo

ANÁLISIS DE LA SITUACIÓN ACTUAL

57

plazo. En cada ensayo se introducirán las características de los trasformadores de

referencia para estudiar las necesidades de la instalación.

Dado que existen distintos ensayos en los que se comprueban o miden distintas

magnitudes pero el comportamiento del transformador es el mismo, se han

establecido distintos grupos.

Ensayos con el transformador funcionando en vacío

Los ensayos a los que engloba, medida de pérdidas en vacío, corriente y armónicos, se

realizan de manera conjunta, con el transformador en vacío (devanado secundario sin

conectar).

En estos ensayos, la carga que supone el transformador en ensayo y las pérdidas del

transformador elevador tiene en todos los casos factor de potencia altamente

inductivo, variando entre 0,1 y 0,5 en los casos más extremos.

En todos los casos se realizan a la frecuencia industrial, 50 Hz o 60 Hz, del país al que

vaya destinado el transformador.

El ensayo se realiza a distintas tensiones, llegando a los límites prescritos por las

normas, en algunos casos por parte del cliente se solicita la realización a tensiones de

120 % de la tensión nominal. Esta sobretensión máxima será la que se tome como

referencia para este análisis ya que las condiciones son más severas en todos los

aspectos, mayor demanda de tensión, potencia e intensidad, así como una mayor

distorsión en la corriente.

El aspecto más problemático de los ensayos de vacío se debe a la corriente de

magnetización. Alimentar el transformador en sobretensión supone que este trabaje a

un valor de inducción magnética superior al nominal. Los transformadores de

potencia se diseñan para trabajar con inducción magnética en torno al codo de

saturación de la característica magnética del núcleo. Esto hace que la forma de onda

de la intensidad de vacío o magnetización del transformador sea fuertemente

distorsionada, en la Ilustración 30 se puede observar un oscilograma en el que se



58

representa dicha corriente (Io) junto a la onda de tensión (E) y campo magnético,

intensidad (B) o flujo (Φ). En el funcionamiento con carga, la corriente de vacío

supone una pequeña parte de la intensidad absorbida por el transformador, con lo que

no se aprecia la distorsión de la misma. El transformador es alimentado en

sobretensión, lo que hace que aumente aún más la distorsión de la corriente de vacío.

.

Ilustración 30: Forma de onda tipo de la corriente de vacío [17].

La circulación de la corriente de vacío por la instalación de alimentación provoca

caídas de tensión a su vez distorsionadas en la impedancia equivalente formada por la

fuente y el transformador. Esto produce que la onda de tensión con la que se alimenta

al transformador bajo ensayo sea distorsionada.

La onda de alimentación tiene un menor contenido armónico en tanto la impedancia

equivalente de la alimentación es menor. Se suele considerar que una potencia

nominal de la alimentación de entre 5 y 10 veces superior a la necesaria es suficiente

para realizar el ensayo en condiciones válidas [17].

Al realizarse ensayos de transformadores trifásicos y monofásicos, se debe tener en

cuenta este aspecto ya que la instalación de la alimentación del ensayo se conecta en

modo trifásico y bifásico respectivamente.

En lo siguiente no se ha tenido en cuenta el rendimiento de la instalación ya que se


59

mayora la potencia del ensayo diez veces para evitar los problemas de distorsión

armónica durante el ensayo.

En la Tabla 13 se tienen los valores obtenidos de potencia recomendada para la

alimentación del ensayo de vacío, como factor de potencia tipo del ensayo se ha

tomado 0,4.

Tabla 13: Estimación de potencia para el ensayo de vacío.

Estimación de potencia para el ensayo de vacío

Trifásicos

Sn V Po Po’ Sf

1 1,2 GVA 120 % 300 kW 432 kW 10,75 MVA

4,3 MW

2 1,1 GVA 120 % 300 kW 432 kW 10,75 MVA

4,3 MW

Monofásicos

Sn V Po Po’ Sf

3 750 MVA 120 % 200 kW 288 kW 7,2 MVA

2,9 MW

Leyenda

Sn Potencia nominal

V Tensión de ensayo aplicable relativa a la nominal

Po Potencia de pérdidas en vacío a tensión nominal (valor de diseño)

Po’ Potencia de pérdidas en vacío a la tensión de ensayo

Sf Potencia nominal recomendada para la alimentación:

De los resultados Sf en la Tabla 14, se comprueba como el caso del transformador

monofásico supone una mayor carga para la alimentación. Si tenemos en cuenta que

tanto generador como transformador son equipos trifásicos que se hacen funcionar de

manera desequilibrada en dos fases:



60

Tabla 14: Características de la alimentación para el ensayo de vacío.

Características de la alimentación para el ensayo de vacío

Fases Potencia entregada Potencia nominal

3 432 kW 10,75 MVA

4,3 MW

1 288 kW 7,2 MVA

2,9 MW


La conexión empleada para realizar el ensayo de calentamiento es similar a la

empleada durante el ensayo de medida de impedancia en cortocircuito y medida de

pérdidas en carga, medida del nivel de ruido y vibraciones y medida de las pérdidas

en refrigeración.

El consumo de potencia cuando se alimenta al transformador en cortocircuito se

produce fundamentalmente en los arrollamientos, teniendo muy poco peso las

pérdidas del núcleo. El modelo eléctrico del transformador cortocircuitado es el

equivalente al circuito eléctrico, una impedancia inductiva.

Durante el ensayo de calentamiento se pretende simular el efecto de las pérdidas del

transformador de manera que se alimenta a una tensión mayor de la de cortocircuito

hasta lograr un valor de perdidas en el circuito eléctrico igual a la suma de las

pérdidas en vacío y en cortocircuito. Esto hace que el ensayo de calentamiento sea el

que demanda una mayor cantidad de potencia de entre todos los ensayos.

El tiempo de duración del ensayo de calentamiento viene dado por la dinámica

térmica del mismo, de manera que el equilibrio térmico se alcanzará antes o después

en función del volumen de aceite, tipo constructivo, temperatura ambiente y sistema

de refrigeración. Por experiencia, la duración del ensayo es del orden de 10 horas.

En una primera etapa se reproducen las pérdidas totales del transformador hasta que

se alcanza un equilibrio térmico, medido como variaciones máximas de temperatura a

lo largo de una hora.


61

Tras esta primera etapa, se pasa a una segunda en la que se inyecta solo la corriente

nominal, dando lugar sólo a las pérdidas de cortocircuito. Esta etapa tiene como

objetivo reducir la temperatura del devanado, ya que es superior a la del

funcionamiento nominal, pues todas las pérdidas se producen en el mismo. Igual que

la anterior, esta etapa concluye cuando se alcanza el equilibrio térmico.

Finalmente, se desconecta el transformador y se abre el cortocircuito para medir la

resistencia de los devanados. A través de esta medida de resistencia, se obtiene la

temperatura media de los mismos.

Además de ser el ensayo con una mayor demanda de potencia, hay que tener en

cuenta la duración del mismo, muy superior en comparación con el tiempo empleado

en otros ensayos.

Como variante tipo ensayo especial, se puede realizar el ensayo de calentamiento en

sobrecarga. Esta situación es la que se analizará por ser la de mayor demanda.

En la Tabla 15 se muestran las potencias y tensiones que se necesitan para ensayar los

distintos transformadores. El factor de 1,25 que aparece en la expresión de Pf se

corresponde a una estimación de las pérdidas en la instalación fruto de la experiencia

en la realización del ensayo.



62

Tabla 15: Estimación de potencia para el ensayo de calentamiento.

Estimación de potencia para el ensayo de calentamiento

Trifásicos

Sn εcc SC Po Pcc Pf Sf

1 1,2 GVA 15 % 120 % 300 kW 2,2 MW 3,7 MW 300,7 MVA

2 1,1 GVA 16 % 130 % 300 kW 1,9 MW 3,5 MW 320,7 MVA

Monofásicos

Sn εcc SC Po Pcc Pf Sf

3 750 MVA 16 % 130 % 200 kW 1,7 MW 3,0 MW 212,7 MVA

Leyenda

Sn Potencia nominal

εcc Tensión de cortocircuito

SC Sobrecarga a la que se realiza el ensayo

Po Potencia de pérdidas demandada en el ensayo de vacío

Pcc Potencia de pérdidas demandada en el ensayo de cortocircuito

Pf Potencia activa demandada a la fuente:

Sf Potencia aparente demandada a la fuente:

Para garantizar el correcto funcionamiento, dimensionando la potencia de la fuente se

ha decido tomar las potencias máximas de la tabla anterior como punto de trabajo de

la misma al 75 % de su carga nominal. Con esta mayoración se pretende garantizar un

correcto funcionamiento frente posibles situaciones como sobrecargas puntuales o

transitorios de arranque. En la misma línea, parece adecuado prever un margen de

seguridad para no apurar la instalación en las condiciones más severas.


63

Tabla 16: Características de la alimentación para el ensayo de calentamiento.

Características de la alimentación para el ensayo de calentamiento

Fases Potencia consumida Potencia fuente

3 3,7 MW / 300,7 MVA 3,7 MW / 4,9 MW (75 %)

1 3,0 MW / 212,7 MVA 3,0 MW / 4,0 MW (75 %)

Ensayo de tensión soportada aplicada

La conexión empleada para realizar el ensayo de tensión soportada aplicada consiste

en cortocircuitar entre sí los terminales de cada devanado, entre los que se aplica la

tensión de ensayo. La frecuencia empleada debe ser la nominal del transformador,

admitiéndose como mínimo el 80 % de la misma [13]. El aislamiento principal,

sometido a la tensión de ensayo, se comporta como una carga capacitiva con un

pequeño consumo de pérdidas debido a la circulación de corriente por el propio

transformador siendo las pérdidas dieléctricas despreciables frente a las primeras.

El objetivo de este ensayo es comprobar el buen estado del aislamiento entre los

devanados y entre los devanados y tierra. El ensayo se considera satisfactorio si

durante el mismo no colapsa la tensión ni se presenta síntomas de fallo en el

transformador.

Puede ser necesario compensar el factor de potencia capacitivo del ensayo a fin de

que el generador de la alimentación trabaje dentro de su región admisible. Al trabajar

con factores de potencia capacitivos, la tensión aplicada al transformador bajo ensayo

es mayor que la generada. Para compensar el factor de potencia del ensayo se puede

conectar una reactancia variable.

A la hora de estimar la potencia de la alimentación no se trata de un ensayo relevante,

ya que la potencia activa consumida es muy inferior a la del resto de ensayos.

Ensayo de tensión soportada inducida

El objetivo de este ensayo es comprobar el buen estado del aislamiento en su



64

totalidad: entre devanados y tierra además de entre fases de un mismo devanado y

espiras de una misma fase. Para ello, durante el ensayo de tensión soportada inducida

se hace funcionar al transformador en vacío. El ensayo se realiza a tensión elevada, ya

que las tensiones a las que se alimenta son superiores a la nominal y harían saturar el

núcleo. Para la instalación esta frecuencia está fijada a 175 Hz.

En estas condiciones, debido a la frecuencia, los efectos capacitivos pasan a ser

dominantes sobre los inductivos, con lo cual el transformador se comporta generando

potencia reactiva y consumiendo activa. A ello hay que añadir el mismo efecto que

también se produce en el generador de ensayos.

Las consideraciones relativas al carácter capacitivo del ensayo de tensión soportada

aplicada son válidas en el de tensión aplicada inducida aunque en este caso la potencia

activa consumida es superior.

3.4 Conclusiones

Las razones que justifican la sustitución del sistema de alimentación del Laboratorio

de Ensayos en Alta Tensión son: el estado de conservación de los grupos de

generación, la ausencia de respaldo para algunos ensayos en caso de averías de los

grupos generador-motor 1 y 3 y la imposibilidad de funcionamiento actual en caso de

que fallase el suministro eléctrico.

Por otro lado, las características a medio y largo plazo de los transformadores

producidos demandan unas prestaciones mayores para la alimentación. Para cubrir

estas previsiones, habiendo analizado distintos ensayos, se desprende que el ensayo

más exigente es el de calentamiento con sobrecarga, seguido del ensayo de vacío por

su problemática particular. En el caso de los ensayos de tensión soportada inducida y

aplicada, presentan menor exigencia, aunque es necesario puntualizar el carácter

capacitivo de los mismos el cual se puede solventar mediante compensación. Por lo

tanto, el ensayo que resulta determinante es el de calentamiento.

En la Tabla 17 se tiene los requerimientos para la alimentación con los


65

transformadores de referencia, en los casos monofásicos se han incluido las potencias

equivalentes al caso trifásico trabajando con dos fases. En la Tabla 18 se tienen las

características actuales de la alimentación del Laboratorio.

Tabla 17: Capacidad requerida para la alimentación.

Capacidad requerida para la alimentación

Trifásico Monofásico

Ensayo de vacío

50 Hz 432 kW / 1075 kVA

Gen: 10,75 MVA / 4,3 MW

144 kV

288 kW / 720 kVA

Gen: 12,47 MVA / 5 MW

144 kV 60 Hz


50 Hz 3,7 MW / 300,7 MVA

(generador de 4,9 MW)

3,0 MW / 212,7 MVA

(generador de 4MW, 6,9 MW 3F) 60 Hz

Tabla 18: Capacidad actual de la alimentación.

Capacidad actual de la alimentación

Trifásico Monofásico

Ensayo de vacío

50 Hz 350 kW / 240 MVA

Gen: 10 MVA / 3,5 MW

144 kV

200 kW / 138,6 MVA

Gen: 10 MVA / 3,5 MW

144 kV 60 Hz


50 Hz 3,5 MW / 240 MVA

2,0 MW / 138,6 MVA

(generador de 3,5 MW 3F) 60 Hz

Tensión soportada aplicada

50 Hz

2,0 MW / 138,6 MVA

400 kV 60 Hz

Tensión soportada inducida

175 Hz 700 kW 2 MVA 404,1 kW / 1,2 MVA

(generador de 2 MVA 3F)

Comparando los resultados de ambas tablas, Tabla 17 y Tabla 18, se puede observar



66

como los requerimientos en los ensayos de vacío y calentamiento son superiores a la

capacidad actual de la instalación. Cabe destacar que el transformador de ensayos

actual tiene una potencia insuficiente para trabajar con la reactiva demanda en los

ensayos de calentamiento, tanto en trifásico como en monofásico. El caso monofásico

sería el más severo, exigiendo una potencia nominal equivalente de 6,9 MW. De aquí

en adelante, se atenderá a los cambios necesarios en la generación para cubrir estos

requerimientos dejando para un futuro la posible sustitución del transformador de

ensayos.

67

4 SOLUCIÓN PROPUESTA

4.1 Introducción

En el Capítulo 3 se ha analizado la situación actual del Laboratorio de Ensayos en

Alta Tensión llegando a la conclusión de que es necesario renovar la alimentación de

la instalación principal para dar respuesta a los distintos problemas que se presentan y

a las necesidades futuras para realizar los ensayos. En este capítulo, se presenta la

solución propuesta para el Laboratorio de Ensayos.

En primer lugar, en el apartado 4.2, se definen las características, objetivos y aspectos

a tener en cuenta a la hora de desarrollar la propuesta. Seguidamente, en el apartado

4.3, se exponen las distintas tecnologías que se emplean en la actualidad en el campo

de los ensayos en alta tensión con el objetivo de dilucidar cuál es la más adecuada

para este proyecto. En el apartado 4.4 se desarrolla la solución propuesta,

dimensionando y seleccionando los equipos que la componen. En el apartado 4.5 se

especifica el modo de instalación de los equipos en la Sala de Máquinas. Finalmente,

en el apartado 4.6, se elabora una planificación, distribuyendo las actuaciones

necesarias para la instalación de la solución en el tiempo con el objetivo de

compaginarlas en la medida de lo posible con la normal actividad del Laboratorio de

Ensayos.

4.2 Especificaciones

El nuevo sistema de alimentación destinado a sustituir a los grupos generador-motor

deberá ser instalado en la sala de máquinas.



68

La alimentación de los mismos al centro de transformación se deberá de mantener a

través del embarrado principal. De igual manera, la conexión a los transformadores de

ensayo se deberá mantener a través de los dos embarrados empleados en la actualidad.

El nuevo sistema debe de satisfacer los requisitos marcados en el capítulo 3 para los

distintos ensayos. En la Tabla 19 se recogen estas características, no se incluye en la

potencia aparente ya que en el caso del calentamiento se aporta desde los

condensadores y en el del vacío, como se verá posteriormente, se solventa el

problema de la distorsión el control de la forma de onda generada. A su vez, la tensión

generada deberá de ser regulable hasta 6 kV y la frecuencia, al menos, entre 50 Hz y

175 Hz.

Tabla 19: Características requeridas para la alimentación.

Comparativa de las características para la alimentación

Fases Vacío Calentamiento

3 (432 kW) 4,3 MW

6,3 kV 50 / 60 Hz

4,9 MW 6,3 kV

6,3 kV 50 / 60 Hz

1 (288 kW) 2,9 MW (5 MW 3F)

6,3 kV 50 / 60 Hz

4 MW (6,9 MW 3F) 6,3 kV

6,3 kV 50 / 60 Hz

Una funcionalidad deseable es la posibilidad de modificar la forma de onda de la

salida del equipo para corregir la distorsión que pudiera presentar.

Es imprescindible que la solución implementada pueda ser alimentada a través de un

grupo electrógeno en caso de que no sea posible hacerlo a través de la red eléctrica.

En lo siguiente se muestra una serie de principios generales que se deben de tener en

cuenta en el diseño. La instalación debe ser flexible para permitir en el futuro ampliar

de nuevo la potencia de la instalación o bien variar alguna de sus características si

fuera necesario. Es conveniente que los equipos tengan carácter modular, para que en

caso de que se produzcan averías sean fácilmente sustituibles. De igual manera, es

exigible que la solución sea concebida con la premisa de que en caso de avería de

algún equipo o parte, el Laboratorio de Ensayos no vea afectada su capacidad para

realizar ensayos o al menos sólo la vea afectada parcialmente, prefiriendo que exista

respaldo para los distintos ensayos.

SOLUCIÓN PROPUESTA

69

4.3 Alternativas tecnológicas

En este apartado se van a presentar las dos tecnologías que se emplean en la

actualidad para laboratorios de ensayos en alta tensión. En primer lugar se plantea la

posibilidad los grupos motor-generador por otros actuales, con las características

adecuadas para satisfacer los requerimientos de la instalación. En segundo lugar

plantea la posibilidad de sustituir los grupos actuales de generación por convertidores

de frecuencia estáticos. En ambos casos se hace hincapié en los aspectos particulares

de cada una de ellas. Finalmente se realiza un análisis comparativo de ambas

alternativas.

4.3.1 Grupos motor-generador

La filosofía del sistema no cambiaría. Cada grupo motor-generador estaría dedicado a

una serie de frecuencias determinadas.

Hoy en día, con la amplia difusión de los equipos de electrónica de potencia, no

tendría sentido emplear máquinas eléctricas para las excitaciones. El control de la

excitación de cada máquina se realizaría directamente sobre la tensión de fuentes

electrónicas de corriente continua regulables. De esta manera se simplificaría el

sistema desde el punto de vista del mantenimiento. En la Ilustración 31 puede

observarse como quedaría el esquema de la excitación de los grupos directamente

alimentados por fuentes de tensión regulables.



70

Ilustración 31: Excitación grupo motor-generador con fuentes regulables.

La dependencia de un grupo determinado para una determinada frecuencia, en el caso

de los ensayos a 50 / 60 Hz, sería mejorable instalando dos grupos de iguales

características con una caja de cambios. Este esquema, análogo al del grupo motor-

generador 1, permitiría tener respaldo en el caso de los ensayos a frecuencia

industrial. En el caso del ensayo de tensión soportada inducida sería más

problemático, ya que harían falta dos grupos para solo un ensayo.

4.3.2 Convertidores de frecuencia estáticos

Como convertidor de frecuencia estático se entiende un sistema basado en

componentes de electrónica de potencia capaz de convertir la energía eléctrica alterna

de una frecuencia a otra variando además su tensión. Dentro de la electrónica de

potencia, existen diversas topologías y tecnologías disponibles de convertidores, en lo

siguiente se mostrarán las más adecuadas para la aplicación.

Dentro del campo de la aplicación, los dispositivos más empleados en la actualidad

son: diodos, tiristores (SCR) y transistores (IGBT).

Los convertidores estáticos de frecuencia constan de dos etapas, rectificador e

inversor, conectadas entre sí por un bus de corriente continua. Este esquema, con bus

de continua, es el más empleado, aunque en otras aplicaciones más específicas existen

variantes distintas.

SOLUCIÓN PROPUESTA

71

La etapa rectificadora puede ser controlada, semicontrolada o no controlada en

función del tipo de componente empleado. Las distintas topologías permiten controlar

diferentes aspectos como la tensión de salida o el flujo de potencia activa y reactiva en

la alimentación. En la aplicación, al no ser necesario el flujo de potencia activa hacia

la alimentación y pudiendo prescindir del control de potencia reactiva, se optaría por

un rectificador no controlado.

Dentro de los rectificadores no controlados de diodos, con alimentación trifásica,

existen distintas alternativas, de las cuales las más comunes son:

Rectificador de seis pulsos

Está formado de un rectificador trifásico de diodos. Se denominan de seis

pulsos porque la onda de tensión rectificada posee un rizado de frecuencia

seis veces superior a la red. En la Ilustración 32 puede verse el esquema de

conexión.

Ilustración 32: Rectificador no controlado de seis pulsos.

Rectificador de doce pulsos.

Se compone de dos rectificadores trifásicos de seis pulsos alimentados por

un transformador de tres devanados. Ambos rectificadores se conectan en su

lado de alterna a los dos secundarios del transformador y los lados de

continua se conectan a su vez en serie. El grupo de conexión del

transformador es Yyd, lo que permite tener un menor contenido armónico



72

en el lado de alterna. El desfase entre ambos devanados secundarios debido

al grupo de conexión hace que el rizado obtenido en el lado de continua sea

de menor magnitud y del doble de frecuencia, doce pulsos por periodo de

red, que el rectificador de seis pulsos. En la Ilustración 33 puede verse el

esquema de conexión, los rectificadores de seis pulsos se han representado

como bloques.

Ilustración 33: Rectificador no controlado de doce pulsos.

Cabe distinguir, según dispongan de condensadores o bobinas como interconexión en

el bus de continua, entre:

Tipo fuente de tensión

Usan condensadores para estabilizar la tensión de continua, comportándose

el rectificador como una fuente de tensión de cara al inversor.

Tipo fuente de intensidad

Usan bobinas para estabilizar la intensidad de continua, comportándose el

rectificador como una fuente de intensidad.

Al ser necesario el control de la frecuencia y de la tensión de salida, las opciones

contempladas para la etapa de inversor son trifásicas totalmente controladas:

Inversores modulados por ancho de pulsos (PWM)

SOLUCIÓN PROPUESTA

73

Conmutan los dispositivos del inversor a una frecuencia elevada,

típicamente del orden de 1 kHz. La tensión de conmutación es constante,

según la relación de tiempo que estén conectados a tensión máxima o cero,

se consigue modular una onda senoidal con un pequeño rizado donde la

componente principal es de la frecuencia deseada.

El rectificador que llevan incorporado es del tipo no controlado, ya que no

necesitan variar la tensión en la parte de continua.

Inversores de onda cuadrada

Conmutan los dispositivos del inversor a la frecuencia fundamental entre

dos valores de tensión extremos. La frecuencia de conmutación es

directamente la deseada. Con este método se consigue una onda cuadrada

de la frecuencia deseada con un gran contenido armónico.

Como rectificador, para poder variar la tensión de trabajo, deben de llevar

incorporado un rectificador semicontrolado.

La búsqueda de la solución se centrará por tanto en un convertidor estático de

frecuencia, formado por un rectificador no controlado de diodos y un inversor

controlado con control PWM de transistores IGBT unidos por un bus de continua de

tensión fija. El esquema, desde un punto de vista general, es el representado en la

Ilustración 34. En el esquema sólo se muestra los componentes más importantes de la

topología, una aplicación real incluiría otros componentes como filtros de entrada y

salida.



74

Ilustración 34: Convertidor estático de frecuencia.

4.3.3 Discusión comparativa

A continuación se comparan distintos aspectos propios de ambas alternativas,

convertidores estáticos de frecuencia y grupos motor-generador, relevantes desde el

punto de vista de la aplicación.

El uso de grupos motor-generador es una solución con un largo recorrido, siendo

ampliamente utilizada en el ámbito de ensayos a transformadores de potencia. En el

caso de los convertidores de frecuencia estáticos no existe un recorrido con tanta

experiencia pero son una solución con cada vez empleada en este campo. Igualmente,

es ampliamente utilizada en gran número aplicaciones industriales.

Las posibilidades respecto a la forma de onda generada que plantea la solución a

través de convertidores de frecuencia estáticos frente a la solución mediante grupos

motor-generador son mayores.

El empleo de convertidores estáticos de frecuencia permite la variación de manera

continua de la frecuencia generada dentro del rango admisible del equipo, además,

esto es posible de realizarse con total independencia de la red. En el caso de los

SOLUCIÓN PROPUESTA

75

grupos motor-generador, la frecuencia generada viene fijada por la relación del

número de polos de ambas máquinas en relación a la frecuencia de la red.

En cuanto a la tensión de salida, ambas soluciones permiten su variación. Un aspecto

destacable de los convertidores estáticos de frecuencia, es que si el control del mismo

lo permite, se puede variar la conmutación del inversor con el fin de influir en la

forma de onda obteniendo una tensión senoidal a la vez que se aporta una corriente

con contenido armónico. Esto supone por tanto una ventaja fundamental frente a los

grupos motor-generador, que sólo permiten actuar sobre la tensión generada a través

de la excitación del generador.

En el caso de que se sucediese una falta en la realización del ensayo, el

comportamiento de ambas soluciones difiere. En el caso de un convertidor estático, el

tiempo de desconexión del mismo sería del orden de 10 µs limitando en gran medida

el aporte de energético al mismo. Para el caso de un grupo motor-generador, el tiempo

de actuación dependería de las protecciones del mismo, siendo del orden de 10 ms, lo

que supone un aporte mucho mayor de energía (sistema con gran inercia). El

comportamiento de ambos sistemas tendría impacto no solo en la instalación de

ensayos, sino en el propio sistema de alimentación, agravando las posibles

consecuencias del mismo conforme mayor es el tiempo de actuación y el aporte

energético. A pesar de esto, hay que mencionar la superior capacidad de sobrecarga

de una máquina síncrona frente a un convertidor estático de frecuencia.

En cuanto al funcionamiento con factores de potencia capacitivos, los convertidores

estáticos permiten un rango de trabajo muy superior al proporcionado por un

generador convencional.

Un solo convertidor estático de frecuencia, si su potencia es la suficiente, permite

realizar cualquieras de los ensayos estudiados ya que permite variar la frecuencia

generada, por el contrario, esto no es posible con un grupo generador-motor, siendo

necesario un grupo con la frecuencia adecuada para cada ensayo.

Dado el carácter modular de los convertidores de potencia, sería fácilmente

sustituibles alguna de sus partes en caso de que presentase averías o añadir más

componentes para modificar sus características, por ejemplo para aumentar su

potencia. En el caso de los grupos motor-generador esto resultaría imposible en la



76

práctica debido a los problemas que se presentan en el funcionamiento en paralelo de

generadores.

En cuanto a las necesidades de instalación y la influencia de la misma en el entorno,

cabría destacar el menor espacio que ocupa una solución basada en convertidores

estáticos de frecuencia. Igualmente, la menor generación de ruido audible y el hecho

de no presentar partes en movimiento la hacen más recomendable desde un punto de

vista de la seguridad para las personas. Para la instalación de los grupos motor-

generador es necesario también una mayor inversión en obra civil, requiriendo de

bancadas para su anclaje debido al peso de los mismos y las vibraciones producidas

en su funcionamiento.

Por las razones expuestas se propone el empleo de convertidores de frecuencia

estáticos para conformar el sistema de alimentación para el Laboratorio de Ensayos.

En la Tabla 20 se tiene un breve resumen las mismas.

SOLUCIÓN PROPUESTA

77

Tabla 20: Comparación entre grupos motor-generador y convertidores estáticos de

frecuencia.

Comparación entre grupos motor-generador y convertidores estáticos de frecuencia

CEF Grupos M-G

Frecuencia de salida ✔Variable ✘Fija

Posibilidad de realizar todos los

ensayos ✔Sí ✘No

Posibilidades de control ✔Grandes ✘Limitada

Control sobre la forma de onda ✔Sí ✘No

Influencia de los armónicos de

corriente ✔Menor ✘Importante

Funcionamiento en sobrexcitación ✔Sí ✘No

Desconexión en fallo ✔10 µs, poco

aporte de energía

✘10 ms, gran aporte de

energía

Capacidad de sobrecarga ✘Poca ✔Mayor

Presencia en la actualidad ✔Creciente ✘Decreciente

Necesidades de instalación ✔Poco espacio ✘Gran espacio

Emisión de ruidos ✔Emisión

moderada ✘Alta emisión

Posibilidad de incrementar la

potencia

✔Fácilmente,

carácter modular ✘Difícil

Partes en movimiento ✔Sistema de

refrigeración ✘Sí, ejes

Funcionamiento aislado de red ✔Con generador ✘Red necesaria



78

4.4 Definición

En este apartado se definen las características principales así como las distintas partes

y equipos que componen los convertidores de frecuencia estáticos propuestos para la

alimentación al Laboratorio de Ensayos. En primer lugar se aborda una selección de

equipos como propuesta base para configurar cada uno de los variadores a instalar.

La instalación de los equipos y su integración deberán de ser adjudicados a una

empresa externa. Esta empresa será la encargada de llevar a cabo la instalación de las

unidades generadoras. Dicha adjudicataria deberá tener la capacidad suficiente para

que a partir de las bases propuestas lleve a cabo la realización del proyecto.

La solución propuesta se compone de tres convertidores de frecuencia estáticos de

iguales características. Esta configuración permite alimentar simultáneamente a los

dos transformadores de ensayos disponibles. Contar con tres unidades con las mismas

características posibilita que en caso de avería en una de ellas, la capacidad de la

instalación sólo se vea mermada parcialmente.

Las características de tensión y frecuencia de las mismas son las especificadas

anteriormente. En cuanto a la potencia, se selecciona de tal manera que con dos

unidades se pueda alimentar al transformador principal durante los ensayos de mayor

exigencia.

La tercera unidad tendrá menor carga de trabajo, usándose para alimentar al

transformador de ensayos secundario cuando se requiera a la vez que cumple su

función de respaldo en caso de que alguna de las otras dos unidades quede fuera de

servicio. En cualquier caso, estará conectada al embarrado de distribución para

permitir asociar cualquiera de las otras.

La potencia de cada unidad se decide tomar de manera que dos unidades tengan

capacidad para alimentar el ensayo de calentamiento del transformador más

desfavorable, es decir, transformador monofásico demandando 4 MW. A pesar de

demandar menor potencia, el caso monofásico es más desfavorable que el trifásico ya

que en el primero las unidades deben de alimentar al transformador de ensayos de

manera bifásica.

SOLUCIÓN PROPUESTA

79

Cada unidad por tanto deberá tener una potencia de aproximadamente 3,46 MW, es

conveniente recordar que ya se introdujo un factor de mayoración para que la

instalación trabajase al 75 %.

El catálogo de referencia empleado para la elección de los equipos es el de la serie de

accionamientos múltiples ACS800 de ABB [18]. Se trata de una serie de equipos

modulares diseñados para combinarlos entre sí y configurar un variador estático de

frecuencia. El empleo del mismo se justifica por la variedad de equipos disponibles

dentro de la gama y el fácil acceso a información de los mismos. Dentro de la serie, se

ha decidido emplear la serie refrigerada por líquido. En la Ilustración 35 puede verse

el aspecto de un convertidor de frecuencia estático ACS800 montado en armario y

refrigerado por líquido. Para modificar el control de los mismos se contratará a una

empresa especializada con el objetivo de que los adapte a la aplicación, obteniendo

nuevas funcionalidades la variación de la forma de onda para la supresión de

armónicos.

Ilustración 35: Convertidor de frecuencia estático ACS800[18].

Entre las distintas tensiones de trabajo, se opta por la de mayor valor posible, de

manera que se minimice la corriente nominal del equipo, reduciendo así el valor de



80

pérdidas en el convertidor y los transformadores empleados.

Cada unidad estará compuesta de:

Transformador de alimentación

Convierte la tensión de alimentación disponible en la Sala de Máquinas (5 kV) al

valor de la tensión nominal del convertidor de frecuencia.

Unidad de conexión

Aporta funciones de control y protección del resto de módulos del convertidor de

frecuencia.

Rectificador

Está formado por dos módulos, cada uno de ellos consiste en un rectificador no

controlado de seis pulsos. Convierte la alimentación trifásica para alimentar a un bus

de corriente continua al cual se conectan los módulos inversores.

Inversor

Está formado por tres módulos inversores conectados en paralelo, cada uno de ellos

consiste en un inversor trifásico construido con transistores IGBT. Poseen filtro de

armónicos en la salida.

Transformador de salida

Convierte la tensión de salida del inversor (690 V) al valor nominal de la instalación

(6,3 kV).

El diagrama de la Ilustración 36 muestra las partes principales de cada unidad de

generación propuesta. En la Ilustración 37 se muestra la composición del convertidor

estático de frecuencia.

SOLUCIÓN PROPUESTA

81

Ilustración 36: Diagrama de bloques, unidad de generación.

Ilustración 37: Diagrama de bloques, convertidor de frecuencia estático.

La Ilustración 38 muestra, de manera aproximada, la distribución de los elementos

que integran la unidad de generación.

Ilustración 38: Vista frontal, unidad de generación.

Los distintos equipos que conforman cada unidad de generación van montados en

armarios metálicos de manera contigua. Las dimensiones de altura y fondo son

uniformes en la serie, siendo 2000 mm y 644 mm respectivamente. Además de la

profundidad propia del armario, es necesario disponer de una distancia de 500 mm

libre para poder abrir las puertas de los mismos.


• 6,3 kV / 690 V

•50 Hz

Convertidor de frecuencia

estático


•5 kV / 690 V

•50 - 175 Hz

Unidad de conexión

Rectificador

2 Ud.

Bus de corriente continua

Inversor

3 Ud.

Transformador de

alimentación Unidad de conexión

Rectificador 1

Rectificador 2

Inversor 1

Inversor 2

Inversor 3

Transformador

de salida



82

La longitud ocupada por todos los armarios puestos de manera contigua es de 4700

mm aproximadamente. A esto debe de sumarse el espacio ocupado por los

transformadores, instaladas uno a cada lado, protegidos por una reja metálica a fin de

evitar los contactos directos.

En total, el espacio necesario en planta por cada unidad de generación es de 1200 mm

de fondo y 8700 mm de largo.

A parte de las tres unidades de generación, será necesario instalar un equipo de

refrigeración. La opción escogida es un equipo aerorefrigerante para evitar riesgo de

colonias de legionella. El espacio destinado al mismo se encuentra en el exterior de la

sala de máquinas, accesible desde el exterior de las dependencias del laboratorio de

alta tensión.

Selección de equipos propuestos

Etapa inversora

Para dotar al sistema de una mayor flexibilidad y respaldo en caso de fallos, se ha

decidido emplear tres módulos inversores. Esto permite una menor potencia por

inversor y por tanto menor reducción de la potencia disponible en caso de fallo de uno

de ellos.

La configuración escogida es tres módulos ACS800-107LC-1590-7. Con dicha

configuración se alcanza una potencia disponible de 4,78 MVA y 3,75 MW.

En la Tabla 21 se tienen las características principales del módulo inversor

seleccionado.

SOLUCIÓN PROPUESTA

83

Tabla 21: Características del módulo inversor ACS800-107LC-1590-7 [18].

Características del módulo inversor ACS800-107LC-1590-7

Rango de tensión 525 – 690 V

Rango de frecuencia < 300 Hz

Intensidad continua máxima 1334 A

Potencia continua máxima 1250 kW

Potencia disipada a refrigeración 23,5 kW

Caudal de refrigeración 39 l/min

Dimensiones (alto x ancho x fondo) 2003 x 700 x 644 mm

Masa 600 kg

Etapa rectificadora

Por las mismas razones que en el caso de la selección de los inversores se decide

configurar la etapa en distintas unidades conectadas en paralelo. El máximo número

de unidades rectificadoras recomendadas por el fabricante para conectar en paralelo

son dos.

La potencia a suministrar por la etapa rectificadora se compone de la potencia activa

entregada por la inversora mas las pérdidas producidas en la misma, lo que resulta ser

3,82 MW.

La configuración escogida es dos módulos ACS800-307LC-2150-7. Con esta

configuración se puede llegar a suministrar un total de 4,1 MW.

En la Tabla 22 se tienen las características principales del módulo rectificador

seleccionado.



84

Tabla 22: Características del módulo rectificador ACS800-307LC-2150-7 [18].

Características del módulo rectificador ACS800-307LC-2150-7

Rango de tensión 525 – 690 V

Intensidad continua máxima DC 2200 A

Potencia aparente nominal 2147 kVA

Potencia continua máxima 2050 kW

Potencia disipada a refrigeración 12,1 kW

Rendimiento 98 %

Factor de potencia 0,93

Caudal de refrigeración 19 l/min

Dimensiones (alto x ancho x fondo) 2003 x 1000 x 644 mm

Masa 1120 kg


La carga a alimentar por el transformador será

En la Tabla 23 se tienen las características principales del transformador de

alimentación seleccionado.

SOLUCIÓN PROPUESTA

85

Tabla 23: Características del transformador de alimentación.

Características del transformador de alimentación

Transformador trifásico tipo seco

Tensión nominal 5 kV / 690 V

Potencia nominal 4,5 MVA

Frecuencia nominal 50 Hz


Impedancia de cortocircuito (εcc) 5 %


En la Tabla 23 se tienen las características principales para el transformador de

alimentación.

Tabla 24: Características del transformador de salida.

Características del transformador de salida

Transformador tipo seco

Tensión nominal 690 V / 6,3 kV


Frecuencia nominal 50 ~ 175 Hz


Impedancia de cortocircuito (εcc) 5 %

4.5 Implantación

Las unidades de generación irán instaladas en la sala de máquinas. Cada una de las

tres sustituirá a uno de los grupos generador-motor. Eléctricamente, la conexión será

la misma que la actual, cada unidad se alimentará a través de una línea trifásica desde

el embarrado principal y alimentará a los transformadores de ensayos a través de dos



86

líneas trifásicas que conectarán con los embarrados de alimentación a los

transformadores. De esta manera, los únicos elementos a retirar son los grupos motor-

generador:

Motor síncrono y bancada

Excitación de motor

Motor de arranque en el caso del grupo 3

Generador síncrono y bancada

Excitación de generador

Conexiones a embarrados

Además será necesario modificar parte de las zanjas por las que discurren las actuales

conexiones.

Ilustración 39: Esquema de conexión instalación eléctrica actual.

SOLUCIÓN PROPUESTA

87

Ilustración 40: Esquema de conexión instalación eléctrica tras las actuaciones.

Ilustración 41: Emplazamiento unidades de generación en sala de máquinas.



88

4.6 Planificación

En este apartado se propone una planificación del proyecto en su fase de

implantación.

El comienzo del mismo se ha tomado a modo ilustrativo en el mes de junio del

presente año. Cada fase se compone de una serie de fases, consideradas más

importantes desde el punto de vista de la intervención en la instalación, estimándose

la duración en días de las mismas. El horizonte temporal del proyecto se ha

desarrollado tomando un horario laboral de lunes a viernes a jornada completa, dando

un resultado de 97 días de trabajo, lo que trasladado al calendario descrito supone un

total de 19 semanas y dos días, algo más de cuatro meses.

La implantación se ha definido en distintas fases, atendiendo a los grupos generador-

motor que se ven afectados en cada caso:

Fase 0: No se ve afectado ningún grupo generador-motor

Fase 1: Puesta en marcha de la unidad de generación 1 y desconexión

del grupo generador-motor 2

Fase 2: Puesta en marcha de la unidad de generación 2 y retirada del

grupo generador-motor 3

Fase 3: Puesta en marcha de la unidad de generación 3 y desconexión

del grupo generador-motor 1

Fase 4: Fin del proyecto, retirada de los grupos generador-motor 1 y

generador-motor 2 si procede.

Entre cada fase se han marcado como hitos del proyecto puntos de validación de las

fases llevadas a cabo. Tras instalar cada una de las nuevas unidades de generación,

será necesario un periodo de trabajo, empleándolas para realizar los ensayos

planificados en el Laboratorio. Estos hitos suponen por tanto un punto de análisis y

aprobación de los resultados conseguidos y de toma de decisión de continuar con el

desarrollo del proyecto.

Los criterios empleados para la organización de las distintas fases han sido

principalmente dos. En primer lugar, compatibilizar la normal actividad del

Laboratorio de Ensayos con la implantación del proyecto. En segundo lugar,

SOLUCIÓN PROPUESTA

89

minimizar los efectos de los problemas que puedan surgir, retrasos en los trabajos,

problemas de puesta en marcha, no satisfacción de las expectativas… Por ello se van

sustituyendo de uno en uno los distintos grupos generador-motor, empezando por

aquellos para los que existe respaldo, intentando que los mismos queden el mayor

tiempo posible listos para su uso a falta de conectarlos a los embarrados de la

instalación en caso de que sea necesario.

A continuación se detallan las distintas tareas contempladas dentro de cada fase, así

como una breve descripción de las mismas. También se acompañan de un diagrama

de Gantt donde se puede visualizar con facilidad el orden temporal de las mismas.

En la Tabla 25 se muestran las fechas de comienzo y finalización de cada una de las

fases, a su vez, en la Ilustración 42 se tiene una vista del diagrama de Gantt

correspondiente.

Tabla 25: Planificación, general.

ID Nombre Dur. Inicio Fin

1 FASE 0 15 1-6 16-6

10 FASE 1 25 17-6 26-7

29 FASE 2 28 31-7 8-9

50 FASE 3 18 18-9 22-10

70 FASE 4 6 3-11 10-11



90

Ilustración 42: Planificación, diagrama Gantt comprimido.

4.6.1 Fase 0

En esta fase no se ve afectado ningún grupo motor-generador. Se lleva a cabo la

instalación del sistema de refrigeración y se preparan los aspectos relacionados con

las comunicaciones de las mismas, instalación de conexiones de datos en la sala de

máquinas y entre la sala de máquinas y la sala de control.

SOLUCIÓN PROPUESTA

91

Tabla 26: Planificación, Fase 0.


1 FASE 0 1 1-6 1-6

2 Sistema de refrigeración 9 2-6 12-6

3 Instalación eléctrica 3 2-6 4-6

4 Instalación de equipos 3 5-6 9-6

5 Instalación hidráulica 3 10-6 12-6

6 Comunicaciones datos con sala de control 4 2-6 5-6

7 Tendido sala de máquinas con sala de control 3 2-6 4-6

8 Cuadro y tendido de sala de máquinas 4 2-6 5-6

9 Adaptación puestos de control (SCADA) 7 8-6 16-6

Ilustración 43: Planificación, diagrama Gantt Fase 0.

4.6.2 Fase 1

En esta fase se instala la primera unidad de generación. Al haber espacio libre en la

sala de máquinas, esto puede hacerse sin retirar ninguno de los grupos. Para

conectarla al embarrado de la instalación de alimentación, se desconecta el grupo

generador-motor 2. De esta manera se pueden seguir realizando todos los ensayos con

los grupos generador-motor 1 y generador-motor 3.



92



10 FASE 1 0 16-6 16-6

11 Unidad de generación 1 25 17-6 21-7

12 Desconectar grupo G-M 2 1 17-6 17-6

13 Obra civil 5 18-6 24-6

14 Apertura de zanjas 5 18-6 24-6

15 Instalación equipos 15 25-6 15-7

16 Convertidor de frecuencia estático 1 8 25-6 6-7

17 Instalación de anclajes 2 25-6 26-6

18 Instalación de armarios 4 29-6 2-7

19 Conexiones de potencia 2 3-7 6-7

20 Transformadores 7 7-7 15-7

21 Instalación de envolventes 2 7-7 8-7

22 Instalación de transformadores 3 9-7 13-7

23 Conexión de transformadores 2 14-7 15-7

24 Puesta en marcha 4 16-7 21-7

25 Ajuste protecciones 1 16-7 16-7

26 Pruebas de verificiación 3 17-7 21-7

27 Verificación con realización de ensayos 7 22-7 30-7

28 Visto bueno 0 30-7 30-7


SOLUCIÓN PROPUESTA

93

4.6.3 Fase 2

Para continuar instalando la segunda unidad de generación, debido a la falta de

espacio, se hace necesario retirar el grupo generador-motor 3 ya que ocupa el espacio

que será ocupado por las unidades de generación segunda y tercera.

Por ello se incluyen las tareas adicionales de retirar dicho grupo así como la bancada

de hormigón dónde se asienta.

Durante esta fase, para realizar ensayos de tensión inducida, se puede emplear la

unidad de generación primera en lugar del grupo generador-motor 3.

El grupo generador-motor 1 no se ve afectado y el grupo generador-motor 2 se

encuentra disponible a falta de conectarlo al embarrado de la instalación.



94



29 FASE 2 0 30-7 30-7



32 Retirar grupo G-M 3 3 3-8 5-8

33 Obra civil 5 6-8 12-8

34 Retirar bancada grupo G-M 3 3 6-8 10-8















49 Visto bueno 0 17-9 17-9

SOLUCIÓN PROPUESTA

95


4.6.4 Fase 3

En esta fase se pasa a instalar la tercera unidad de generación, para ello se desconecta

el grupo generador-motor 1.

La capacidad de ensayos no se ve afectada, pudiéndose emplear las unidades primera

y segunda.



96



50 FASE 3 0 17-9 17-9



53 Obra civil 5 21-9 25-9















68 Visto bueno 0 02-11 2-11

69 Review, toma de decisión retirar resto grupos 0 02-11 2-11

SOLUCIÓN PROPUESTA

97


4.6.5 Fase 4

Si fuera necesario, para liberar el espacio ocupado en la sala de máquinas, se puede

proceder a retirar los grupos generador-motor 1 y 2.



98



70 FASE 4 0 02-11 02-11

71 Fase final 6 03-11 10-11

72 Retirar grupo G-M 2 3 03-11 05-11

73 Retirar grupo G-M 1 3 06-11 10-11

74 FIN 0 10-11 10-11


99

5 VALORACIÓN ECONÓMICA

A continuación se incluye una valoración orientativa del coste que podría suponer la

realización del proyecto en el mercado actual.



100

Tabla 31: Valoración económica.

Concepto Ud. Coste Ud. Coste

1 Equipos y materiales

Modulo de control y alimentación 3 100.000 € 300.000 €

Módulo rectificador ACS800-307LC-2150-7 6 250.000 € 1.500.000 €

Módulo inversor ACS800-107LC-1370-7 9 350.000 € 3.150.000 €

Electrónica de control instalada en unidad de

generación 3 45.000 € 135.000 €

Embarrado de corriente continua, conexión

interna de unidad de generación 3 50.000 € 150.000 €

Transformador 4 MVA 6 100.000 € 600.000 €

Puentes de conexión en lado de 690 V de

transformador 6 3.500 € 21.000 €

Celda de transformador, enrejado para evitar

contactos 6 1.000 € 6.000 €

Conductores de media tensión 6 kV instalados,

conexión de unidad de generación con embarrados 3 90.000 € 270.000 €

Total apartado 1

6.132.000 €

2 Obra civil

Retirar grupo motor-generador 3 1 30.000 € 30.000 €

Adecuación de zanjas para conductores de 6 kV 1 60.000 € 60.000 €

Instalación de canalizaciones de datos 1 6.000 € 6.000 €

Total apartado 2

96.000 €

3 Instalación

Montaje e instalación de unidades de generación y

elementos necesarios para su funcionamiento

(parte proporcional) en fases planificadas,

incluido desplazamientos y parte proporcional de

dietas

3 65.000 € 195.000 €

Total apartado 3

195.000 €

4 Puesta en servicio

Ajuste protecciones 1 10.000 € 10.000 €

Pruebas de verificación 1 30.000 € 30.000 €

Integración con sistema SCADA 1 40.000 € 40.000 €

Curso de operación y mantenimiento a impartir en

instalaciones de cliente por técnico cualificado 1 12.000 € 12.000 €

Total apartado 4

92.000 €

Total Proyecto 6.515.000 €

101

6 CONCLUSIONES FINALES

A continuación se exponen las conclusiones de mayor importancia del proyecto.

Es necesario renovar los actuales grupos motor-generador debido a su estado de

conservación y las prestaciones superiores que requiere el Laboratorio de Ensayos.

Las condiciones de ensayo más exigentes para la alimentación se dan lugar durante la

realización de ensayos de calentamiento con sobrecarga y ensayo de vacío.

Entre las distintas tecnologías disponibles, la más apropiada para la sustitución de los

grupos motor-generador es el empleo de convertidores de frecuencia estáticos basados

en electrónica de potencia ya que se adapta mejor a las particularidades de la

actividad, destacando la gran flexibilidad para variar las magnitudes de la onda

generada y el carácter modular y versátil de los equipos.

La solución propuesta consiste en tres unidades de generación o convertidores de

frecuencia estáticos, formados por distintos equipos de la serie ACS800 del fabricante

ABB a los cuales se les modificará el control para adecuarlos a la aplicación. Al

tratarse de equipos de baja tensión, se instalarán en serie un transformador de

alimentación y uno de salida con el fin de adaptar los voltajes de la instalación a los

apropiados.

El lugar de instalación de las unidades de generación será el ocupado por los actuales

grupos en la sala de máquinas.

Para interferir lo menos posible en la actividad del laboratorio, lo más adecuado es

llevar a cabo la instalación de las unidades siguiendo una planificación formada por

cinco fases donde se intenta tener siempre la mayor disponibilidad de los grupos y

unidades de generación para la realización de ensayos.



102

El coste total del proyecto, incluyendo equipos, materiales, obra civil, instalación y

puesta en servicio; se estima en torno a 6.515.000 €

103

BIBLIOGRAFÍA

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[2] ABB, Shell transformers (Folleto), Zurich, 2011.

[3] S. H. D. H. Jin Sim, «Power Transformer,» de The Electric Power Engineering

Handbook, Tercera edición ed., CRC Press, 2012.

[4] s. b. S. Por Gregers, «Wikimedia Commons,» [En línea]. Available:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAutotransformator_schemat.svg.

[Último acceso: 5 mayo 2015].

[5] ABB Spain, Transformador Acorazado ABB (Folleto), 2007.

[6] Universidad de Sevilla, Material de la asignatura: Máquinas eléctricas, cuarto

curso de Ingeniero Industrial, 2012.

[7] W. R. H. Shirish P. Mehta, «Transformer Testing,» de The Electric Power

Engineering Handbook, CRC Press, 2012.

[8] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), C57.12.00 IEEE

Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution, Power and

Regulating Transformers, 2010.



104

[9] International Electrotechnical Commission (IEC), IEC 60076-1 Power

Transformers - Part 1: General, 2011.

[10] AENOR, UNE-EN 60076-1 Transformadores de potencia - Parte 1:

Generalidades, 2013.

[11] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), C57.12.90-2010 - IEEE

Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution, Power, and Regulating

Transformers, 2010.

[12] International Electrotechnical Commission (IEC), IEC 60076-3 Power

Transformers - Part 3: Insulation levels, dielectric tests and external clearances

in air, 2013.

[13] AENOR, UNE-EN 60076-3 Transformadores de potencia - Parte 3: Niveles de

aislamiento, ensayos dieléctricos y distancias de aislamiento en el aire, 2013.

[14] Fluppe37, «Wikimeadia Commons,» [En línea]. Available:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ADr_bushing_10.png. [Último

acceso: 5 mayo 2015].

[15] AENOR, UNE-EN 60076-2 Transformadores de potencia - Parte 2:

Calentamiento de transformadores sumergidos en líquido, 2013.

[16] ZooFari, «Wkimedia Commons,» [En línea]. Available:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AMarx_Generator.svg. [Último

acceso: 5 mayo 2015].

[17] Å. Carlson, J. Fuhr, G. Schemel and F. Wegscheider, Testing of Power

Transformers; Routine tests, Type tests and Special tests, Zurich: ABB Business

BIBLIOGRAFÍA

105

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[18] ABB, Low voltage AC drives. ABB industrial drives. ACS800, multidrives 1.1 to

5600 kW Catalog, 2011.

[19] ABB Business Area Power Transformers, Testing of Power Transformers;

Routine tests, Type tests and Special tests, Zurich: Pro Print GmbH, 2003.

[20] S. P. Mehta y W. R. Henning, «Transformer Testing,» de Electric Power

Transformer Engineering, Tercera edición ed., CRC Press, 2012.

[21] International Electrotechnical Comission (IEC), IEC 60076-2 Power

transformers - Part 2: Temperature rise for liquid-immersed transformers, 2011.

107

ANEXO: ESQUEMAS Y PLANOS

Hoja 1: Instalación de alimentación, actual

Hoja 2: Instalación de alimentación, propuesta

Hoja 3: Distribución dependencias de Laboratorio

Hoja 4: Distribución sala de máquinas, actual

Hoja 5: Unidad de generación

Hoja 6: Distribución sala de máquinas, propuesta

repotenciación del sistema de alimentación del...

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