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Seminario Técnicopara Ingenieríasy Organismos Oficiales

Merlin Gerin

Seguridad en transformadoresde distribución

• Comportamiento de las diferentes tecnologíasfrente al incendio.

• Nuevas normas europeas sobre seguridaden transformadores.

• Influencia de las sobrecargas y temperaturaambiente en transformadores.

• Año 2010, fin de los transformadorescon PCB’s (Piralenos).

• Bobinados de aluminio en transformadoresde distribución.

• Los generadores de armónicos y su influenciaen transformadores.

• Los transformadores y la CEM.• Anexo: Normativa y Reglamentación.

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ÍNDICE

INTRODUCCIÓN Pág. 11.ª PARTE - EL TRANSFORMADOR Y EL INCENDIO Pág. 2FLUIDOS DIELÉCTRICOS Pág. 4EVOLUCIÓN DEL TRANSFORMADOR SUMERGIDO HACIA LA TÉCNICA DEL LLENADO INTEGRAL Pág. 7COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO DE LOS TRANSFORMADORES SECOS ENCAPSULADOS Pág. 9LOS TRES EFECTOS “ANTIFUEGO” Pág. 10CLASES DE COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO Pág. 11ENSAYOS DE COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO F1 Pág. 12OTROS ENSAYOS Pág. 14CONCLUSIÓN Pág. 162.ª PARTE - GARANTÍAS DE DISPONIBILIDAD Y FIABILIDAD EN TRANSFORMADORES SECOS ENCAPSULADOS Pág. 17DESCARGAS PARCIALES Pág. 18ESTABILIDAD DIELÉCTRICA Pág. 18ENSAYOS CLIMÁTICOS Pág. 233.ª PARTE - INFLUENCIA DE LAS SOBRECARGAS Y TEMPERATURA AMBIENTE EN TRANSFORMADORES Pág. 27DIFERENTES REGÍMENES DE CARGA Pág. 29REGLA DE ENVEJECIMIENTO DE LOS AISLADORES Pág. 30Ejemplo 1. - Cálculo de carga cíclica (transformadores secos) Pág. 31Ejemplo 2. - Cálculo descarga cíclica (transformadores sumergidos) Pág. 33GLOSARIO Pág. 344.ª PARTE - AÑO 2010, LÍMITE DE VIDA PARA LOS TRANSFORMADORES CON PCB Pág. 35RESUMEN DE DISPOSICIONES Pág. 35¿CÓMO SABER SI UN TRANSFORMADOR CONTIENE PCB? Pág. 36¿QUÉ ES LA DESCONTAMINACIÓN? Pág. 36¿DÓNDE SE PUEDE DESCONTAMINAR UN TRANSFORMADOR CON PCB? Pág. 37FECHAS RELACIONADAS CON LOS PCB Pág. 385.ª PARTE - BOBINADOS DE ALUMINIO EN TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN Pág. 39PROPIEDADES FÍSICAS Pág. 40LA BANDA DE ALUMINIO Pág. 40VENTAJAS DE LOS TRANSFORMADORES DE ALUMINIO Pág. 41EL ALUMINIO EN TRANSFORMADORES SECOS ENCAPSULADOS Pág. 47ANEXO Pág. 486.ª PARTE - LOS GENERADORES DE ARMÓNICOS Y SU INFLUENCIA EN TRANSFORMADORES Pág. 49LAS ONDAS ARMÓNICAS Pág. 49LOS GENERADORES DE ARMÓNICOS Y SU INFLUENCIA Pág. 50COMPORTAMIENTO DEL TRANSFORMADOR ANTE LOS ARMÓNICOS Pág. 50SOLUCIONES POSIBLES Pág. 51SOBREDIMENSIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR Pág. 51CONCLUSIONES Pág. 527.ª PARTE - LOS TRANSFORMADORES Y LA CEM Pág. 53MEDIDA DE LA RADIACIÓN 9 kHz – 150 kHz Pág. 53MEDIDA DE LA CONDUCCIÓN 9 kHz – 150 kHz Pág. 54ANEXO Pág. 558.ª PARTE - ANEXOS: RESUMEN DE NORMATIVAS UNE/UNESA/CÍAS. Pág. 56NORMAS DE TRANSFORMADORES DE ACEITE Pág. 63NORMAS DE OBLIGADO CUMPLIMIENTO PARA TRANSFORMADORES Pág. 63CONSIDERACIONES Pág. 64

Seguridad en transformadores de distribución 1.ª Parte

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Introducción partir de los años 70 y debido a las desafortunadas experiencias causadas por los di-eléctricos líquidos en transformadores, se ha acentuado de manera significativa el con-cepto de seguridad intrínseca en los transformadores de distribución, la creciente pre-sión pública ha forzado a que los Poderes Públicos, Constructores y Normalizadores

aumenten y mejoren la protección del entorno y de las personas en lo concerniente a la defen-sa contra el fuego, los productos tóxicos y la contaminación del medio ambiente.

En Europa se han implantado legislaciones estrictas que regulan la venta y utilización de lostransformadores sumergidos, por su parte el CENELEC (Documentos de armonización: HD428, HD 538, HD 464...) ha conseguido, después de varios años de mediar entre constructoresy utilizadores de transformadores, una convergencia hacia la estandarización del producto parabeneficio de la seguridad técnica y económica del usuario. El respeto a las normas por partede los constructores es un beneficio fundamental para el usuario. Estas normas han sidocreadas con el fin de racionalizar el producto, pero también para ayudar al usuario a realizaruna elección más objetiva, sobre todo en lo que concierne a la relación calidad/precio.

La adquisición de un transformador que no respeta las normas es un riesgo absurdo. Por ejem-plo unas pérdidas más elevadas generan un sobrecoste de explotación, a largo plazo el precio decompra del aparato queda decididamente injustificado: Incrementos de un 10% en pérdidassignifica una deducción en su compra de un 5%, pero un sobrecoste de capitalización de un10%. La ignorancia de las normas crean situaciones desagradables en la instalación: La normasobre compatibilidad electromagnética se anticipa a las posibles perturbaciones emitidas poraparatos próximos para realizar instalaciones adaptadas e inmunes. La clasificación dada porlas normas (HD 464 y HD 538) sobre resistencia al fuego de los transformadores, permite ele-gir en función del nivel de riesgo del emplazamiento, el transformador más adecuado.

Entre los transformadores que cumplen con los criterios de integración en el entorno y “recicla-bilidad” destacan los transformadores secos encapsulados, y en particular los tratados conAlúmina Trihidratada, los cuales constituyen un modelo, mundialmente reconocido, de segu-ridad y fiabilidad por sus excepcionales cualidades frente a las variaciones de temperaturaextremas (choque térmico). A esta notable endurancia hay que añadir su capacidad de resis-tencia a las fuertes tasas de condensación y polución industrial.

Estos transformadores soportan extraordinariamente las variaciones de carga, los cortocircui-tos y las sobretensiones. La Alúmina Trihidratada, con unas elevadas propiedades ignifugan-tes, les confiere un comportamiento al fuego excepcional: una autoextinguibilidad inmediataen ausencia de productos tóxicos, que garantizan la seguridad de las personas y los bienes.

En el presente artículo se analizan cuatro aspectos fundamentales relacionados con la seguri-dad intrínseca y fiabilidad de los transformadores de distribución: su comportamiento ante elfuego, toxicidad y reciclabilidad, su resistencia a las atmósferas agresivas, su fiabilidad frentea sobrecargas y cortocircuitos examinando paralelamente las ventajas e inconvenientes de lasdiferentes tecnologías.

Por último, se describe la disposición adoptada por el Consejo de la Unión Europea, el 16 desePtiembre de 1996, directiva n.º 96/59/CE (JOCE n.º L 243/31 del 24 9 96) que refuerza lasdisposiciones relativas a la eliminación de los PCB fijando particularmente el término de sudestrucción o descontaminación al final del año 2010. En documentación anexa se recoge unartÍculo de interés para los usuarios de transformadores que contienen PCB (piraleno) “Trans-formadores en baño de PCB: un peligro potencial” donde podrán encontrar recomendacionespara casos de incidentes y respuestas a ¿Cómo saber si el fluido de su transformador contienePCB?, o ¿qué hacer con un transformador sumergido en baño de PCB?, etc.

Andrés GraneroSchneider Electric, S.A. (Dpto. T & D)

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Primera parte

El transformador y el incendioComportamiento de las diferentes tecnologías frente al incendio

l aparellaje eléctrico en la actualidad, se centra aún en técnicas constructivas clásicas,con gran variedad de productos aislantes de elevado índice de inflamación, generadoresde humos y gases altamente tóxicos, como son: los aceites minerales, siliconas y pira-

lenos en transformadores y condensadores; PVC, caucho, polietileno, etc.; en cables, las ca-nalizaciones verticales de cables, son el principal motivo de propagación del fuego y humo engrandes edificios (efecto chimenea), los cables más modernos, aunque no tienen una grancarga de fuego, desprenden grandes cantidades de humo tóxico: CLH, CNH, CO2, CO, etc.

Generalmente son los transformadores de potencia, debido a su gran volumen de aceite, sili-cona o piraleno (prohibida su fabricación en el año 1986, pero existen aún millares de unidadesen servicio), los que representan un mayor peligro en caso de incendio. En efecto, los trans-formadores en baño de aceite son susceptibles de provocar, alimentar y propagar el incendiodebido a su bajo punto de inflamación, los mayores siniestros registrados fueron agravados porla expansión del aceite de los transformadores por las conducciones y canalizaciones de ca-bles, extendiéndose así el incendio a locales y zonas colindantes.

Además, el transformador en baño de piraleno (líquido ininflamable y de alta estabilidad quí-mica) cuando se ve involucrado en un incendio en sus inmediaciones, a partir de los 200 ºC sedescompone formando un humo negro y espeso asfixiante y gases de extraordinaria toxicidad,de la misma naturaleza que los producidos en la Planta Química de la ciudad de Seveso (Ita-lia) más conocido por “veneno de Seveso”.

Las siliconas, como fluido dieléctrico han sido la alternativa al piraleno por su buen comporta-miento ante el fuego, tienen un amplio campo de aplicación en aquellos transformadores quepor su ubicación en locales de pública concurrencia o en locales subterráneos deben cumplirnormas específicas de protección contra incendios.

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Afortunadamente, el índice de incendios provocados por los transformadores o en CCTT esmuy bajo, en cambio sus repercusiones suelen ser importantes en cuanto a víctimas y dañosmateriales se refiere. La FACTORY MUTUAL ENGINEERING CORPORATION, en un estudiode fallos en transformadores durante un periodo de 5 años comprobó que de 430 accidentesproducidos en transformadores por rayos y fallos eléctricos, en 64 ocasiones se produjo elincendio. Pero también representan riesgo de incendios los paneles y armarios cerrados debi-do al calor originado por resistencias y sobrecarga de partes conductoras que se agravan conla insuficiente ventilación.

El almacenaje indebido de materiales utilizados en la explotación del Centro de Transforma-ción, tales como aceites, grasas, pinturas, productos de limpieza, embalajes, etc., pueden aca-rrear mayores riesgos que las propias instalaciones. El uso de líquidos inflamables para laslimpiezas de estas instalaciones eléctricas así como el almacenaje en sus proximidades, aunen cantidades reducidas, han creado peligrosas situaciones.

Los transformadores de medida, condensadores, disyuntores y autoválvulas, ofrecen mayores ries-gos de explosión que de incendio, con la consiguiente proyección de fragmentos de porcelana yresina que estallan con cierta violencia originando considerables daños materiales, e incluso perso-nales, siendo necesario, por consiguiente, que el proyectista someta a consideración este riesgopara fijar el emplazamiento más apropiado para estos elementos de la instalación.

Seguidamente se expone un breve análisis sobre los dieléctricos líquidos más utilizados entransformadores de distribución con relación a su comportamiento al fuego, ecología, toxicolo-gía y mantenibilidad.

FLUIDOS DIELÉCTRICOS

Aceite mineral

Definición: Aceites de base mineral en estado natural obtenidos del refino del petróleo.

Marcas y fabricantes: Diala (Shell), Univolt (Esso), Repsol tensión (Repsol), Electra (Campsa)…

Inconvenientes:c Fácilmente inflamables, necesitan las máximas medidas de protección según MIE

RAT ITC 14.c Propagan el incendio.c Desprenden humos opacos.c Contaminan el suelo y las capas freáticas.

Diélectricos líquidos para transformadores

Características - comportamiento al fuegoCaracterísticas Definición Valores Aceites Esteres Aceites de LIHT

exigidos Minerales SiliconaPunto de combustión ºC. Temperatura a la cual el liquido arde en Máx. (no 180 310 340 No medible (*)

l contacto con una llama. medible)

"Mejor cuanto más elevado es"

Poder calorífico inferior (MG/kg) Calor desprendido en la combustión Míni. 48 34 27 12

"Mejor cuanto más escaso es"

Indice de Oxígeno a 20 ºC (%) Caracteriza la imflamabilidad (concentración Máx.

minima de oxígeno de una mezcla ozono/ 17 16 25 60

oxigeno que puede mantener la combustión)

" Mejor cuanto mas elevado es"

(1) El aceite mineral es facilmente inflamable, y tiene un mal comportamiento al fuego. (1) (2) (3)

(2) La silicona es auto-extinguible cuando crea una capa de sílice en su superficie libre, Muy mal Mal comportamiento al fuego Buen

tiene un buen comportamiento al fuego en vaso abierto. En cambio, ante un incendio real comportamiento comportamiento

en un transformador en servicio, la combustión se activa y la silicona alimenta el incendio. al fuego al fuego

(3) Los esteres tienen un poder calorífico comprendido entre el aceite mineral y la silicona,

una vez inflamado, tiene un gran poder calorífico. (*) El líquido se transforma en vapor sin arder.


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Los esteres

Definición: Líquidos sintéticos a base de carbonoMarcas y fabricantes: Midel (Gec Alsthom), Réolec 138 (BASF y Ciba Geigy)

Inconvenientes:c Mantenimiento delicado e importante: los esteres son extremadamente sensibles a la

humedad (higroscópicos).c No existe demasiada experiencia: menos de 1.000 transformadores puestos en marcha

durante 10 años (en comparación al parque europeo en aceite mineral de 5.000.000 detransformadores de distribución).

c Medianamente inflamable necesitan las mismas medidas de protección que losaceites minerales.

c Su comportamiento al fuego se asimila al aceite mineral.c Oxígeno: (índice de Ester 16/aceite 17, poder calorífico: Ester 34/aceite 48).c Desprenden humos opacos.c ¿Contaminan el suelo y la capa freática? (punto controvertido).

Los aceites de silicona

Definición: Aceites sintéticos a base de sílice.Marcas y fabricantes: Rhodorsil (Rhone Poulenc), Dow Corning 561 (Dow Corning), BaysiloneM 50 EL (Bayer)…

Inconvenientes:c Desprenden humos muy opacos (sílice pulverulenta en el aire) en caso de incendio,

dificulta la localización del foco de calor y las intervenciones de rescate, destruyeconsiderablemente las instalaciones.

c Activa la combustión en caso de fuga de silicona (incendio real) aunque en vasoabierto la silicona sea autoextinguible después de la creación de una capa de síliceen la superficie hecho que no puede jamás producirse en explotación dentro de untransformador.

c Medianamente inflamable, necesita medidas de protección según MIE RAT ITC 14.c Dimensiones del orden del 20% superiores a un transformador de aceite mineral. El

aceite de silicona disipa mal el calor y tiene un coeficiente de dilatación elevado.c Contamina el suelo y las capas freáticas.


Características - Ecológicas y ToxicológicasCaracterísticas Definición Valores Aceites Esteres Aceites de LIHT

exigidos Minerales SiliconaContaminación fria. - Polución de las capas freáticas por

derrame del diélectrico en la naturaleza. NO SÍ Controvertido SÍ SÍ

- Biodegradabilidad. SÍ NO Controvertido NO NO

Contaminación caliente. - Opacidad de los humos. NO OPACOS OPACOS OPACOS MUY OPACOS OPACOS

Humos blancos

sílice

pulverulenta

- Toxicidad de los gases emitidos en caso

de pirólisis. NO TÓXICOS TÓXICO TÓXICO NO TÓXICO TÓXICOS

Controvertido Furanos PCDF

Dioxinas PCDD

Productos Alog.

- Corrosividad de los humos. NO NO NO NO CORROSIVO

CORROSIVOS CORROSIVO CORROSIVO CORROSIVO Ácido

Clorhídrico HCl

(1) En caso de incendio, el aceite de silicona desprende humos muy opacos.

(2) Los esteres desprenden al arder productos muy tóxicos. (2) (1) (3)

(3) Los LIHT desprenden productos muy tóxicos y corrosivos, la fabricación

del Ugilec T ha quedado prohibida desde 18/06/94, Directiva 76/769/CEE.


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Características - instalación - mantenimientoCaracterísticas Definición Valores Aceites Esteres Aceites de LIHT

exigidos Minerales SiliconaViscosidad cinemática Caracteriza la capacidad para evacuar el MÍNIMO 10 30 40 6

a 40ºC (mm2/s) calor.

“Mejor cuanto más escaso es”

Coeficiente de dilatación Variación del volumen en función de la MÍNIMO 7 7 10 8

(10-4 l/K) temperatura.


Sensibilidad a la humedad Caracteriza la sensibilidad a la humedad. MÍNIMO 50 2700 200 170

saturación a 20 ºC en ppm. “Mejor cuanto más escaso es”

Sensibilidad a las bajas Temperatura por debajo de la cual el líquido MÍNIMO Adaptable a las -25 ºC Adaptable a las - 5ºC

temperaturas. puede solidificar. necesidades necesidades


(1) El aceite de silicona es el peor caloportador con un coeficiente elevado

de dilatación, es el que entraña un dimensionamiento más importante de la

parte activa (y de la cuba), que eleva el costo del transformador, ya (2) (1) (3)

acentuado por el elevado coste de la silicona.

(2) Los esteres son extremadamente sensibles a la humedad,

necesitan severas precauciones de estanqueidad a la humedad y un

mantenimiento delicado e importante.

(3) Las LIHT son sensibles a las temperaturas inferiores a –5 ºC limitando su

instalación y almacenamiento; se oxidan en contacto con el aire.

Líquidos aislantes halogenados para transformadores (LIHT)

Definición: Líquidos sintéticos a base de Triclorobencenos* (TCB) (≈ 40% en masa).

Marcas y fabricantes: Ugilec T, Iralec (Prodelec).

Ventajas:c Difícilmente inflamables, no necesitan protección contra incendios.

Inconvenientes:

c Prohibición del Ugilec T desde 18 de junio de 1994 (JOCE n.º L 186 del 12/07/91pº 64 y 65) (Anexo 3).

c Se oxída en el aire.c Contiene productos halogenados (Cloro, flúor, bromo)c Posible desprendimiento de productos muy tóxicos: Furano, Dioxina.c Desprende humos muy opacos.c Instalación limitada: sensible a las bajas temperaturas (θº < -5 ºC).c Contamina el suelo y las capas freáticas.

* Los TCB forman parte en un 40% de la composición de los Askareles (Piralenos) y son el origen deldesprendimiento de Furanos (PCDF), Dioxina (PCDD).

EVOLUCIÓN DEL TRANSFORMADOR SUMERGIDO HACIA LA TÉCNICADEL LLENADO INTEGRAL

El aceite mineral es igualmente, muy sensible a la temperatura. Estando caliente, en contactocon el aire, se oxida, se ennegrece y se acidifica, esta acción conduce a la corrosión de losaislantes internos del transformador y, por tanto, a limitar considerablemente su vida media.Con el tiempo es origen igualmente de la formación de lodos que se depositan sobre las partesactivas dificultando de esta forma los cambios térmicos. Con el fin de reducir la superficie decontacto entre el aceite y el aire, se han provisto a las cubas de los transformadores sumergi-


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dos, de un pequeño depósito de expansión (llamado “conservador de aceite”), que está encomunicación con la parte superior de la cuba, permitiendo las contracciones y dilatacionesdebidas al enfriamiento y calentamiento del aceite.

Otro procedimiento consiste en introducir, entre el nivel superior delaceite y la tapa, un cierto volumen de gas inerte (normalmente ni-trógeno), este gas se comprime bajo los efectos de la dilatación del

aceite y, por lo tanto, todas las juntas dela tapa deberán ser estancas. Paramantener la alimentación del gas inerte,se puede utilizar una botella de gas dealta presión con una válvula reductoraapropiada o un “pulmón” de cauchounido directamente a la parte superiorde la cuba (procedimiento JOSSE).

Se puede también conservar el deposi-to de expansión, en el cual se hace lacompresión y la descompresión del gasinerte.

En la actualidad el procedimiento empleado para evitar la oxida-ción del aceite se efectúa con el "LLENADO INTEGRAL" de lacuba y cerrándose la tapa de forma hermética de manera que noexista contacto entre el aire y el fluido dieléctrico.

Se concibe que no respirando el transformador no existe posibilidad de alterar las cualidadesdieléctricas y refrigerantes del aceite y, por consiguiente, tampoco se verán alteradas las ca-racterísticas de los aislantes orgánicos que forman el aislamiento del transformador, con lo quese consigue además de aumentar su vida media un ahorro importante en su mantenimiento,debido a la reducción de las extracciones de muestras de aceite para comprobar sus caracte-rísticas físico-químicas, tratamientos de filtrado, deshidratación y desgasificación (el fabricantesuele garantizar la estabilidad del aceite durante diez años en un transformador de llenadointegral), al dilatarse el aceite se establece una cierta sobrepresión en la cuba, la cual aumenta

con la carga del aparato. Los pliegues de la cuba, especialmente dise-ñados, son los encargados de absorber las dilataciones del líquido.

Los transformadores encapsulados en resina epoxi son la opciónmás coherente en la actualidad para su instalación en edificios depública concurrencia, por su alta seguridad en caso de incendiodebido a que los materiales empleados en su construcción sonautoextinguibles y no producen gases tóxicos o venenosos, loshumos son muy tenues y no corrosivos (su ph respecto al del aguaes de 6,44 y 6,95 respectivamente). Se descomponen a partir delos 345 ºC, en caso de fuego externo, cuando alcanza la resina los350 ºC arden con llama muy débil y al cesar el foco de calor seautoextinguen en un tiempo que depende de la composición de lacarga en la resina.

Nivel de aceite20ºC

Transformador con depósitode expansión

Transformador con atmósferade gas inerte directamentea la cuba principal y botella

de alimentación.

Transformador hermético conllenado integral de aceite


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MEDIDAS DE PROTECCIÓN CONTRA RIESGOS DE INCENDIO EN CCTTSEGÚN ITC 14 MIE-RAT

Tipo de Tabiques Ventilación Fosos Nº Extintores Sistemas fijos

transformador separadores celdas colectores portátiles de extinción

(Mo UNE 23727) automáticos

Seco ----- No será necesaria, ----- No se exigen instalaciones de PCI si el calor

si el calor generado genrado no supone riesgo de incendio para

no supone riesgo los materiales próximos (Aptdo. 4.1 b2)

de incendio

(Aptdo. 4.1, b2)

Baño de aceite SI Natural, con rejillas Para volúmenes Uno, de eficacia Para volumen unitario

o Ti < 300 ºC. (Aptdo. 3.2.1) de entrada y salidas superiores a 50 l. y 89 B, en el exterior de dieléctrico superior

de aire. provistos de cortafuegos y d < 15 m., o dos a 600 l o que el conjunto

Si no fuera suficiente: (Aptdo. 4.1) de eficacia 89 B en supere los 2.400 l.

Ventilación forzada vehículo itinerante.

provista de dispositivos (Aptdo. 4.1, b1) Para locales de pública

de parada automática. concurrencia, reducción

(Aptdo. 3.3.1) a 400 l y 1.600 l

respectivamente.

(Aptdo. 4.1 b2.)

Baño incombustible ----- Ventilación natural o Sistema de recogida de No se exigen instalaciones de PCI si el calor

o Ti > 300 ºC forzada (Aptdo. 3.3.1) posibles derrames que generado no supone riesgo de incendio para

impidan su salida al los materiales próximos (Aptdo. 4.1 b2)

exterior (Aptdo.4.1)

Limitándonos a lo expuesto hasta ahora podemos observar que el transformador seco encap-sulado en resina es la alternativa que ofrece mayor seguridad a la instalación y tranquilidad alusuario, siempre y cuando estos transformadores de potencia sean capaces de resistir a lolargo de su vida útil todas las incidencias de la red y del medio ambiente, tales como: transito-rios en general, fuertes sobrecargas y cortocircuitos, y agresiones del entorno tales como: altasconcentraciones de humedad, condensación, contaminación industrial y variaciones impor-tantes de temperatura.

Realmente, la concepción del transformador seco es fundamental, ya que en él puede estar ono integrada la resistencia a soportar estas condiciones de almacenamiento y de funcio-namiento, del mismo modo que podrá o no estar integrada la limitación de su inflamabilidad o,mejor aún, su autoextinguibilidad inmediata al cesar las llamas de un fuego externo, así comosu emisión o no de sustancias tóxicas en caso de pirólisis o de combustión.El conocimiento de estas limitaciones en los transformadores secos encapsulados, suponepara el usuario, instalador o proyectista, el poder adoptar en cada caso la solución más venta-josa para la seguridad de las personas y la de los bienes, por ello el Documento de armoniza-ción HD 464 S1: 1988/A2: 1991 del CENELEC recoge la CEI 726 (1982) + A1: 1986 y la com-pleta definiendo para este tipo de transformadores: clases de entorno, clases climáticas yclases de comportamiento ante el fuego.

Los transformadores secos encapsulados en alúmina trihidratada son mundialmente reconocidospor su seguridad y fiabilidad basadas en sus excepcionales cualidades frente a las variaciones detemperatura extremas (choque térmico). A esta notable endurancia cabe añadir su elevado rendi-miento frente a la humedad, incluso saturada, por ejemplo en las plataformas petrolíferas en el marsu elevado rendimiento frente a las agresiones de las atmósferas industriales, por ejemplo las deuna cementera. Los transformadores secos encapsulados en alúmina trihidratada soportan extraor-dinariamente las variaciones de carga, los cortocircuitos y las sobretensiones.

COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO DE LOS TRANSFORMADORES SECOSENCAPSULADOS

La alúmina trihidratada de elevadas propiedades ignifugantes, confiere a los transformadoresencapsulados un comportamiento ante el fuego excepcional: una autoextinguibilidad in-mediata en ausencia de productos tóxicos que son evidenciadas por tres efectos “antifuego”que aparecen como consecuencia de un proceso de calcinación en caso de incendio, la alúmi-na trihidratada, mezclada de manera homogénea con la resina epoxi, garantiza un excepcionalcomportamiento frente al fuego del sistema de revestimiento: combustión difícil, poca opaci-


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dad de los humos, productos de descomposición muy reducidos y no tóxicos y, sobre todo, unaautoextinción inmediata.

Para reducir la proporción de sustancias inflamables, el 60% de la carga ignifugadora se en-cuentra mezclada de manera homogénea en el sistema de revestimiento que se compone de:

c Un 20% de resina epoxi.c Un 20% de endurecedor anhidro modificado por un flexibilizador.c Un 60% de carga ignifugante, bajo la forma de polvo compuesto por sílice y alúmina

trihidratada.

El conjunto es íntimamente mezclado, desgasificado y colado al vacío antes de la polimeriza-ción. Antes del vaciado y de la polimerización, los tres componentes se mezclan íntimamenteen vacío para obtener un sistema de encapsulado perfectamente homogéneo. De este modo,la alta tasa de carga ignifugadora diluye la resina y el endurecedor (ambos son productoscombustibles) y reduce así la proporción de sustancias inflamables. La carga ignifugadora estátotalmente libre de productos halogenados.

La alúmina trihidratada es mundialmente conocida por sus propiedades ignifugantes,pero su utilización para el transformador seco encapsulado es exclusiva de FranceTransfo (Schneider Electric).

La alúmina trihidratada o trihidróxido de aluminio (o Gibbsita), bajo su formulación químicaAl(OH)3, es un producto fabricado a partir de la bauxita, según un procedimiento denominado“proceso Bayer”.

alúmina Trihidróxidotrihidratada = de aluminio = Gibbsita = Al (OH)3

La alúmina trihidratada, que se presenta en forma de polvo de diversas granulosidades, esmundialmente conocida por sus propiedades ignifugas y se utiliza especialmente para protegercontra el fuego el plástico, caucho, pintura, etc.

Las aplicaciones más conocidas son:

c Soporte espuma de moquetas.c Cubiertas aislantes de cables eléctricos.c Fundas aislantes de espuma plástica para tubos de calefacción.c Plásticos moldeados para electrotecnia, electrónica y electrodomésticos.

LOS TRES EFECTOS “ANTIFUEGO”

La explicación de los tres efectos “antifuego” que caracterizan la ignifugación de los trans-formadores en alúmina trihidratada, es la siguiente:

Cuando el transformador es expuesto a las llamas (por ejemplo, durante un incendio), la alú-mina trihidratada inicia un proceso químico de calcinación en el que se transforma poco a pocoen óxido de aluminio Al2O3 (más conocido como alúmina) y en vapor de agua absorbiendomucha energía.


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2Al(OH) + energía calcinación Al O + 3H O3 2 3 2

Primer efecto “antifuego”: formación de un blindajerefractario de aluminio.

El óxido de aluminio (alúmina) generado forma una capade protección en la superficie del sistema de revestimiento,creándose de este modo un blindaje refractario.

En efecto, la alúmina es conocida por sus cualidadesrefractarias y se utiliza para la fabricación de ladrillosrefractarios, cerámicas, etc.

Segundo efecto “antifuego”: creación de una barrerade vapor de agua.

Químicamente, la alúmina trihidratada contiene aproxi-madamente 35% de agua en forma cristalizada que sedesprende en forma de vapor de agua durante el pro-ceso de calcinación y es evacuada por la superficie delsistema de revestimiento.

Esta capa de vapor impide al oxígeno del aire alcanzarla resina y, por lo tanto, impide su combustión. Simultá-neamente, el vapor de agua diluye los productos dedescomposición y reduce así su concentración y la opa-

cidad de los humos de manera significativa. La ausencia de productos halógenos garantiza lano toxicidad de los productos de descomposición.

Tercer efecto “antifuego”: mantenimiento de la temperatura por debajo de la temperatura deinflamación.

El proceso de calcinación de la alúmina trihidratada es una reacción endotérmica (que absorbemucha energía), es decir que la alúmina trihidratada se comporta como un gran consumidor decalor.

Por ello, la temperatura del sistema de revestimiento se mantiene por debajo de su temperatu-ra de inflamación (nivel crítico de inflamabilidad), tan pronto como se suprimen las llamas ex-ternas.

La temperatura máxima del revestimiento en alúmina trihidratada queda muy por debajo, casi100 ºC, del umbral límite definido por el Documento de Armonización Europeo HD 464 S1:1988/A2: 1991 del CENELEC (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica).

El ensayo, tal y como se define, aplica dos fuentes decalor, cuando la primera fuente de calor se apaga, seauto-extingue inmediatamente y a pesar del funciona-miento de la segunda fuente, su temperatura cae brus-camente.

En lo relativo al comportamiento ante el fuego, el docu-mento de armonización define temperaturas máximas queno deben sobrepasarse sin tratar de la presencia o no delfuego. Las definiciones están en relación al riesgo de in-cendio y, en consecuencia, con relación a las necesidadesde seguridad de los bienes y de las personas.

1.er efecto antifuego

3.er efecto antifuego

2.º efecto antifuego


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CLASES DE COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO

Se definen tres clases de comportamiento ante el fuego: F0, F1, F2.

F0: arden

El documento de armonización HD 464 S1 define F0como:

“No existe ningún riesgo especial de incendio que con-templar. Salvo para las características inherentes a laconcepción del transformador, no deben tomarse medi-das especiales para limitar la inflamabilidad.” La claseF0 no exige ningún ensayo.

F1: es autoextinguible en un tiempo bien definido

El documento de armonización HD 461 S1 define F1 como:

“Transformadores sometidos al riesgo de incendio. Se exige una inflamabilidad restringida. Laautoextinción del fuego (se permite un incendio limitado con un consumo de energía desprecia-ble) debe producirse en un periodo de tiempo determinado, a especificar entre comprador yconstructor, excepto si viene estipulado en una especificación nacional.La emisión de substancias tóxicas y humos opacos debe reducirse al mínimo.Los materiales y productos de combustión deben ser prácticamente libres de halógenos y con-tribuir al fuego exterior sólo con una cantidad limitada de energía térmica.”

F2: es un acuerdo especial entre comprador y constructor

El documento de armonización HD 464 S1 define F2 como:

“Mediante precauciones especiales, el transformador debe poder funcionar durante un tiempodeterminado si está sometido a un fuego exterior. Los requisitos de la clase F1 deben cumplir-se de igual modo.”

En lo relativo a la clase F2 queda por definir un procedimiento de ensayo de funcionamientoen caso de fuego exterior. La enmienda AC del documento de armonización HD 464 S1: 1988/pr AC: 1991 sólo define un procedimiento de ensayo para comprobar la aptitud a la clase F1.

Dicho procedimiento de ensayo precisa: “El ensayo se efectúa en una fase completa de untransformador que comprenda bobinas de alta y de baja tensión, el núcleo así como los cons-tituyentes del aislamiento, sin envolvente, en caso de existir una.”

Combinación de los 3 efectos


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ENSAYO DE COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO F1(Solución Merlin Gerin – Schneider Electric)

Ensayo F1

FuegoLaboratorio de ensayos STELF del CNPP (Centro Nacional de Prevención y de Protección)

de CHAMPS - sur - MARNE (FRANCIA) según proyecto E.D.F. elaborado por la dirección de estudiose investigaciones de ELECTRICIDAD DE FRANCIA. sobre una columna completa

del transformador tipo Trihal de 630 kVA n.º 601896.01marca France Transfo/Merlin Gerin (Schneider Electric)

Protocolo de ensayo n.º PN94 4636

Figura 1

Modalidades de ensayo

La muestra se ha situado en la cámara de ensayos descrita en la CEI 332-3 (utilizada paraensayos en cables eléctricos), comprendiendo una bobina completa del transformador Trihalcon encapsulado en alúmina trihidratada (MT + BT + circuito magnético). Véase figura 1.

La principal fuente de calor es alcohol etílico - 27 MJ/kg, que se quema en una cubeta. Unasegunda fuente de calor, la constituye un panel eléctrico radiante - 24 kW - 750ºC. El procedi-miento de ensayo se resume en la figura 2.

Se considera que el material sometido a ensayo ha superado la prueba si satisface los criteriossiguientes:

Calentamiento máximo: 420 KCalentamiento a los 45 min.: 140 KCalentamiento a los 60 min.: 80 K

El ensayo comienza cuando el alcohol existente en una cubeta (nivel inicial 40 mm) se inflamay el panel radiante de 24 kW ha sido puesto en marcha, la duración del ensayo es de 60 mi-nutos de acuerdo con la norma.


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Evaluación de los resultados

El calentamiento se ha medido durante todo el ensayo. Debiendo situarse, según la norma, entemperaturas inferiores o iguales a los 420 ºC.

Durante los primeros 20 minutos, la combustión del alcohol provoca altas llamas que envuel-ven la columna del transformador. Durante este tiempo, las medidas atestiguan una combus-tión muy moderada de la columna.

A t = 45 min.: la temperatura del transformador alcanza los 85 ºC (según la norma deberá serigual o inferior a 160 ºC). Ver figura 2.

A t = 60 min.: la temperatura alcanza los 54 ºC (según la norma deberá ser igual o inferior a100 ºC). Ver figura 2.

No se han detectado, durante el ensayo, la presencia de componentes tales como: ácidoclorhídrico (HCl), ácido cianhídrico (HCN), ácido bromhídrico (HBr), ácido fluorhídrico (HF),dióxido de azufre (SO2), aldehído fórmico (HCOH).

El calentamiento máximo del transformador revestido con alúmina trihidratada queda casi100 ºC por debajo del umbral autorizado por el documento de armonización, o sea 330 K envez de 420 K.

Al final de la combustión del alcohol (t = 15 min.), mientras que el panel radiante sigue en ac-ción, el transformador se autoextingue inmediatamente y su temperatura cae bruscamente.Sólo 10 minutos después del final de la combustión del alcohol (con el panel radiante todavíaen funcionamiento), la temperatura ha bajado a la mitad (140 K con relación a los 330 K máx.de este singular transformador).

Figura 2. Posición del transformador Trihal con alúmina trihidratada con relaciónal límite teórico de la clase F1


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El transformador alcanza el umbral de los 140 K a los 23’, dos veces más rápido que lo exigido enla norma que lo sitúa en los 45’, o sea, 5 minutos después de la extinción del panel radiante.

El comportamiento ante el fuego y la autoextinguibilidad de lostransformadores secos encapsulados pueden ser muy diferentessegún los casos.

El HD 464 S1 es el primer documento normativo que trata el temadefiniendo un procedimiento de ensayo.

Estas condiciones definidas por el normalizador pretenden demos-trar la autoextinción del fuego.

El transformador encapsulado con revestimiento en alúmina trihi-dratada ha superado con éxito diferentes ensayos F1 en el CNPP.El certificado de ensayos n.º PN 94 4636/A registra los detallesde los resultados realizados sobre este transformador estándar de630 kVA 20kV / 410 V. Todos los detalles característicos están des-critos en el certificado.

OTROS ENSAYOS

El test de comportamiento al fuego del sistema de encapsulado con alúmina trihidratada com-prende igualmente diversos ensayos sobre materiales además del ensayo descrito anterior-mente:

Ensayos sobre materiales

Todos los ensayos realizados sobre muestras de material se han llevado a cabo en laborato-rios de reconocido prestigio.

Índice de oxígeno

Corresponde a la mínima concentración de oxigeno (en porcentaje en volumen) que debe ha-ber en una mezcla de oxígeno y nitrógeno para que se pueda mantener la combustión delmaterial. Caracteriza la inflamabilidad y se ha medido según el método de la norma NF T51.071 a distintas temperaturas.

• Resultados del ensayo:

temperatura de ensayo 20 ºC 80 ºC 150 ºC 200 ºC

índice de oxígeno 35,3 32,1 28,2 24

A título comparativo, el índice de oxígeno a 20 ºC es: - para el aceite mineral: 17 - para el aceite de silicona: 22 a 29

Velocidad de combustión

Caracteriza la capacidad que tiene el material de propagar el fuego. Se mide en el mismo apa-rato utilizado parar la determinación del índice de oxígeno y con distintos porcentajes de oxí-geno.


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porcentaje de oxígeno 40% 45% 50% 60%

velocidad de combustión mm/s 0,15 0,20 0,36 0,37

Poder calorífico superior

El poder calorífico superior es la cantidad de calor máxima desprendida por la combustión totaldel material. Se mide en un calorímetro adiabático, según el método de la norma NF M03.005.

• Resultados del ensayo: 10,8 MJ/kg.

A título comparativo, el poder calorífico superior es:- para el aceite mineral: 46 MJ/kg.- para el aceite de silicona: 27 a 28 MJ/Kg.

Productos de descomposición

El análisis y dosificación de los gases producidos por la pirólisis de los materiales se efectúansegún las disposiciones de la norma NF X 70.100.

Las pirólisis se efectúan a 400, 600 y 800 ºC y con muestras de aproximadamente 1 gramo.


El cuadro inferior indica los contenidos medios (en masa de gas / masa de material) obtenidosa partir de los valores de tres ensayos efectuados sobre el Trihal con sistema de encapsuladoen alúmina trihidratada a 400, 600 y 800 ºC. La indicación NS significa que los resultados sondemasiado cercanos al límite de sensibilidad del aparato y, por lo tanto, poco precisos y nosignificativos. La indicación 0 significa que los gases están ausentes o que su proporción esinferior a la sensibilidad del aparato.

Productos de descomposición: contenido en gas/temperaturas

400 ºC 600 ºC 800 ºC

Monóxido de carbono CO 2,5% 3,7% 3,4%

Dióxido de carbono CO2 5,2% 54,0% 49,1%

Ácido clorhídrico HCI en forma de iones cloruros C1- 0 NS NS

Ácido bromhídrico HBR en forma de iones bromuros Br- 0 0 0

Ácido cianhídrico HCN en forma de iones cianuros CN- 0 NS NS

Ácido fluorhídrico HF en forma de iones fluoruros F- 0 0 0

Anhídrido sulfuroso SO2 0,2% 0,17% 0,19%

Monóxido de nitrógeno NO 0 0 0

Dióxido de nitrógeno NO2 0 NS NS


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Clasificación humos

La clasificación humos de los materiales caracteriza sus propiedades desde el punto de vistade la opacidad de los humos y la toxicidad de los gases emitidos en caso de pirólisis y decombustión a 600 ºC.

Las mediciones han sido realizadas por el Laboratoire National d'Essais (Laboratorio Nacionalde Ensayos) según las normas NF X 70.100 y NF X 10.702 y conforme con la especificaciónSNCF 10-3000-960 (GTM 000). Según los resultados obtenidos, se calcula un índice de humo,que permite efectuar la clasificación con relación a 6 clases existentes (de F0 a F6. No confun-dir con los niveles F0, F1 y F2 sobre el comportamiento ante el fuego descritos anteriormente).El índice junto a la letra F es más elevado si son malas, es decir, si tienen una mayor opacidady una toxicidad superior. La clase F0 corresponde por lo tanto a la mejor clasificación humo.


El sistema de encapsulado del transformador Trihal con alúmina trihidratada es clasificadoF0 con relación a la opacidad de los humos y toxicidad de los gases emitidos en la combus-tión.

Este ensayo confirma la no toxicidad de los productos de descomposición en caso de pirólisis yla ausencia de desprendimiento de humos opacos que podrían entorpecer una intervenciónurgente en caso de incendio y tener repercusión en el entorno.

Loboratoire National d’EssaisLaboratorio Nacional de Ensayos.

Protocolo de ensayos.n.º 8030790. DEM/1 del 29 de abril de 1988.

Corrosividad de los humos

La determinación de la corrosividad de los humos ha sido realizada por el Laboratoire Nationald’Essais (Laboratorio Nacional de Ensayos) según la norma UTE C 20.453.

• Resultado del ensayo:

El ph medio es de 6,44. A título comparativo, el ph del agua es de 6,95.

Laboratoire National d' EssaisLaboratorio Nacional de Ensayos.

Informe de ensayo.0090039 - DMAT/11 del 21 de agosto 1990.

CONCLUSIÓN

Como ha quedado demostrado, los transformadores con sistema de encapsulado en alúminatrihidratada son un ejemplo de seguridad integrada a la máquina y como tal no exige limitacio-nes ni tolerancias técnicas que puedan poner en duda su excepcional comportamiento frente alfuego, sus altas prestaciones en atmósferas difíciles, su carácter totalmente no contaminantepara el entorno y su elevada fiabilidad eléctrica.


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Segunda parte

Garantías de disponibilidad y fiabilidaden transformadores secos encapsulados

Nuevas normas europeas sobre seguridad en transformadores

omo resumen y antes de entrar en los criterios que garantizan la fiabilidad de lostransformadores secos encapsulados, se exponen a continuación como introducción lasclases climáticas para transformadores secos definidos por la HD 464 1 S1 y dos con-ceptos fundamentales a tener presente cuando tratemos el tema del choque térmico en

transformadores secos encapsulados: La estabilidad dieléctrica y las descargas parciales enesta tecnología.

c Climáticos: C1 hasta –5 ºCC2 hasta –25 ºC

c Medio ambiente: E0 instalación limpia.E1 escaso nivel de condensación y polución.E2 elevado nivel de condensación y polución.

c Fuego: F0 arde. (definidos en la 1.ª parte) F1 autoextinguible.

F2 acuerdo especial (comprador/ fabricante).

Los ensayos climáticos comprenden:

• Ensayos de penetración de humedad consistente en mantener el transformador bajouna humedad relativa del 90% (+ 5%) durante 72 horas a una temperatura de 50 ºC(+ 3 ºC).

• Ensayo de condensación y contaminación (atmósfera salina).

• Ensayo a baja temperatura (–25 ºC).

• Choque térmico: Con el transformador previamente refrigerado a –10 ºC, y brusca-mente alimentado hasta alcanzar el doble de la corriente nominal durante una hora.

Los ensayos dieléctricos y medidas de descargas parciales sancionarán estos ensayos climáticos.

Los constructores, por su parte, deberán indicar en la placa de características de cada trans-formador las clases a la que corresponde según los niveles indicados anteriormente; y el com-prador podrá exigir los protocolos de ensayo efectuados conforme a la norma.

Por su parte la norma UNE 21538 armonizada parcialmente con la HD 538-1 S1 (amplia-ción de la mencionada HD 464 S1) de septiembre de 1994, impone un nivel mínimo porcategoría, siendo estos los siguientes:

C


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Climáticos = E0Medio ambiente = C1Fuego = F1

Para los usuarios, ésta es una verdadera garantía de disponibilidad y fiabilidad de los trans-formadores. La triple certificación (E2, C2 y F1) obtenida por los transformadores secos en-capsulados en alúmina trihidratada es una prueba de seguridad garantizada.

DESCARGAS PARCIALES

Resumen:

c Se trata de una descarga eléctrica que sólo puentea parcialmente el aislamiento entre dos conductores.

c Que ocurre en la parte de alta tensión del sistema de aislamiento.

c Conlleva:

v A corto plazo: un deterioro de los aislantes.

v A largo plazo: la avería del transformador.

c Remedios:

v Moldeado en vacío de las bobinas de AltaTensión (para evitar vacuolas) bobina de gra-diente lineal sin capas intercaladas (lo que re-duce la tensión entre espiras).

c Precauciones a tomar:v Insistir en proceder al ensayo de medición dedescargas parciales.

F v Ensayo de rutina para los transformadoresencapsulados en resina (HD 464 Sl).

F v En conformidad con un procedimientonormalizado (CEI 270).v Nivel en conformidad con las normas para:Nivel de descarga parcial < 20 pC (HD 464 Sl).

Sistema de bobinado de AT Merlin Gerinsin entrecapas.

LA ESTABILIDAD DIELÉCTRICA

En todos los dieléctricos las características a comparar deberán ser cuatro:

1. La permisividad dieléctrica.2. La tangente del ángulo de pérdidas.3. La resistividad.4. La rigidez dieléctrica.

La permisividad dieléctrica nos determinara la repartición del campo eléctrico entre las distin-tas capas aislantes que constituyen por regla general los transformadores, es un valor funda-mental en la previsión de su tensión disruptiva.

Las pérdidas dieléctricas, o ángulo de pérdidas, intervienen de forma indirecta debido al ca-lentamiento que producen en el dieléctrico. En condiciones determinadas podría llegarse a laruptura dieléctrica por puro efecto térmico de estas pérdidas.


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En efecto, por razones que sedesprenden del proceso físicode polarización, origen de todoslos fenómenos dieléctricos, tan-to la constante dieléctrica envalor relativo como la tangentedel ángulo de pérdidas, depen-den en gran medida de la tem-peratura a la que se encuentresometido el dieléctrico.

La conclusión teórica, podría-mos resumirla en la existenciade un cierto voltaje crítico pro-pio de cada sustancia, rebasadoel cual se produciría la ruptura

dieléctrica cualquiera que fuera el grueso del material aislante. Este fenómeno repercute en lostransformadores con aislamientos anormalmente reforzados a consecuencia de la utilizaciónde tensiones elevadas con lo cual se deberá extremar la refrigeración para evitar la llamada"descarga térmica".

El coeficiente de pérdidas es índice por su sola presencia, de un calentamiento del dieléctricoque a su vez repercute sobre el mismo coeficiente provocando su variación, al no existir refri-geración, degeneraría en un proceso acumulativo capaz de elevar indefinidamente la tempe-ratura del aislante provocando su perforación a cualquier tensión por baja que fuese y auncuando el grueso del aislante excediera de todo lo razonable.

Cuando se aplica un voltaje alterno a un condensador, el dieléctrico queda sometido a tensio-nes y desplazamientos periódicos. Si el material fuera perfectamente elástico, no habría pérdi-da de energía debido a que la almacenada durante los periodos de aumento de tensión seríacedida al circuito cuando ésta disminuye. Pero la elasticidad eléctrica de los circuitos no esperfecta, de modo que el voltaje aplicado tiene que vencer fricciones moleculares además delas fuerzas elásticas; este trabajo de fricción se transforma en calor representando una pérdidade energía útil.

Cuando las pérdidas de energía no son excesivas, la elevación de temperatura del dieléctricoes moderada (3 a 5 ºC), pero si estas pérdidas se elevan, la temperatura puede incrementarsehasta 50 ºC con las consiguientes modificaciones en el dieléctrico que pueden conducir a fallosen el condensador. Por ello la medida de esta energía u otra magnitud relacionada con ella esde suma importancia.

Considerando el caso particular de un voltaje sinusoidal aplicado a un condensador perfecto,las ondas de intensidad de corriente están desfasadas con las de voltaje en 90º. En la práctica,a causa de que los dieléctricos son imperfectos, una pequeña cantidad de energía se disipa yel ángulo de fase entre V e I se hace menor de 90º. (Véase figura.)

Al ángulo δ se le denomina “ángulo de pérdida dieléctrica” y al valor de la tg δ se le conoce conel nombre de “factor de disipación” o “tangente del ángulo de pérdida”.

Si consideramos un condensador de capacitancia C y frecuencia f al que se aplica un voltaje U, lapérdida de energía vendrá dada por:

P = 2 ππf C U2 tg δδ

Es decir, que la energía disipada en el dieléctrico es proporcional al ángulo de pérdidas dieléc-tricas y al cuadrado del potencial. Esta fórmula es aplicable a las pérdidas eléctricas disipadasen forma de calor en un transformador.

α

δ

Ángulo de pérdidas δ

I

U

Ic

Ir

δ ; Ic = ---------- = ω C U

ω C

P = ω Co ε tg δ . U = G U2 2

C = Capacidad del dieléctricoCo = Capacidad con dieléctrico elvacíoε tg δ = Factor de pérdidas


MERLIN GERIN20

El valor cuantitativo de la tg δ para un aceite dado aumenta con la temperatura y también conla degradación o envejecimiento del aceite (unas 100 veces desde 20 ºC a 90 ºC).

En un transformador de bajo voltaje (hasta 50 kV) la influencia del ángulo de pérdidas es pe-queña, debido a que el valor del primer término ( 2πf C U2) es bajo y en consecuencia la disi-pación de calor en el dieléctrico es relativamente débil. En estos casos, el aceite del transfor-mador actúa más como refrigerante que como dieléctrico.

Ahora bien, en transformadores de alto voltaje (superior a 100 kV), el primer término adquiereunas magnitudes considerables, por lo que si se desea mantener una disipación de calor mí-nima, es necesario que el valor de la tangente del ángulo de pérdidas del aceite fresco seabajo y su evolución durante el servicio muy pequeña; en caso contrario se origina un fuertedesprendimiento de calor que eleva la temperatura del aceite y, en consecuencia, incrementael valor de la tangente con lo que se empeora aún más este fenómeno.

Como índice de la posible evolución del ángulo de pérdidas de un aceite durante el servicio,se determina el valor de esta magnitud a 90 ºC, antes y después de un ensayo de oxidación a100 ºC durante 164 horas.

En razón de lo anterior, el concepto de tangente del ángulo de pérdidas y su evolución duranteel servicio es fundamental en aceites destinados a transformadores de alto voltaje. Por ello, lamayor parte de los fabricantes de transformadores especifican como límite máximo de la tan-gente del ángulo de pérdidas del aceite oxidado valores entre 0,05 y 0,1.

Es costumbre expresar las pérdidas de un condensador por su factor de potencia (Power fac-tor), que viene dado por la razón entre la potencia disipada en el circuito y la potencia aparenteV. I. En la figura, observamos que para ángulos pequeños, se cumple:

Power factor = cos αα = sen δδ ≅≅ tg δδ

Como podemos observar el efecto directo de una elevada tangente δ es el incremento de latemperatura de trabajo, pero existen además otros efectos indirectos que pueden sumarse:

• Incremento de la corrosión metálica.• Aceleración de la degradación de la celulosa.• Aumento de la solubilidad y emulsividad del agua.• Incremento de la velocidad de oxidación del aceite.

Todos estos factores conducen a una serie de fenómenos en cadena que pueden ocasionarproblemas al transformador durante el servicio.

Así pues, la tangente del ángulo de pérdidas es la propiedad que más información proporcionaacerca de las características dieléctricas del aceite, por lo que su valor es indicativo de la cali-dad de éste, siendo la propiedad normalmente utilizada para la aceptación de un aceite nuevoy para conocer la calidad dieléctrica de un aceite en servicio.

Para su determinación, se ponen 40 cm3 de aceite en un vaso perfectamente limpio provistode electrodos separados 2 mm, actuando el aceite como dieléctrico y el vaso como condensa-dor de un Puente Shering. La medida se hace con corriente alterna a 2000 V y 50 Hz y a unatemperatura de 90 ºC. La resistividad y rigidez dieléctrica varían según el contenido en aguaque dependerá del grado de solubilidad aumentando ésta con la temperatura. En los fluidosdieléctricos es la silicona el más absorbente.

En éstos la variación de la rigidez dieléctrica, con respecto al contenido en agua, varía segúnlas curvas de la figura siguiente.


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Esta influencia sobre las propieda-des eléctricas en los fluidos acon-sejan someterlos a procesos detratamiento adecuados (calenta-miento bajo vacío, seguido de fil-tración).

En transformadores secos encap-sulados con resina epoxi, el condi-cionante principal que determinarála estabilidad dieléctrica, y portanto la longevidad del transforma-dor, es su mayor o menor conteni-do de “descargas parciales”, queen definitiva son descargas eléctri-cas localizadas en el seno de laresina epoxi, el trayecto de estasdescargas se produce en un inter-valo aislante que separa dos con-

ductores. Este problema limita la tecnología actual del transformador seco encapsulado enresina epoxi a tensiones no superiores a 36 kV y a 24 kV a los transformadores secos impreg-nados con aislantes de clase F o H, el problema se atenúa cuanto menor es la tensión de ais-lamiento y, por tanto, de servicio del transformador llegando a ser inexistente para transfor-madores secos de baja tensión.

Las descargas parciales no son un problema particular aunque sí fundamental de los transfor-madores secos ya que estas se producen igualmente en las burbujas gaseosas en el interior deun aislante líquido, o entre diferentes capas de un aislamiento, sobre todo si éstas son de ca-racterísticas dieléctricas diferentes, también pueden generarse entre puntas o ángulos vivos desuperficies metálicas en tensión. Para evitarlas en lo posible, los transformadores sumergidosse llenan al vacío y los secos encapsulados son moldeados bajo vacío.

Las descargas parciales suelen producirse en forma de impulsos individuales que pueden serdetectados como impulsos eléctricos en un circuito externo conectado al transformador duranteun ensayo de tensión inducida. Las descargas parciales generan señales de alta frecuencia quepueden separarse fácilmente de la tensión de frecuencia industrial a través de un filtro.

lnterferencias procedentes de parásitos de alta frecuencia pueden afectar la medición de lasdescargas parciales. Estos parásitos de alta frecuencia originan un ruido de fondo que de-termina el valor debajo del cual es imposible medir los niveles de descargas parciales.

Durante los ensayos en el transformador, las descargas parciales se representan con el sím-bolo "q" debido a la "magnitud de su carga aparente".

La carga aparente de la descarga parcial es la cantidad de electricidad que, si se inyectaseinstantáneamente a través de los dos terminales del transformador objeto del ensayo, produci-ría el mismo efecto sobre el aparato de medición que la propia descarga parcial. La magnitudde “q” es el valor absoluto de la carga aparente. Se mide en picoCulombios pC.

El circuito de medición de las descargas parciales, conectado a través de los terminales deltransformador objeto del ensayo, comprende:

cc condensadores de acoplamiento C en serie con detectores de impedancias Zm,que permiten desacoplar tanto la alta tensión del transformador bajo ensayo como lasdescargas parciales de alta frecuencia;

cc un detector para amplificar los impulsos de las descargas parciales y mostrar el valorde la descarga de mayor magnitud.


MERLIN GERIN22

Medir los niveles de descargas parciales en un equipo electrotécnico tiene como propó-sito confirmar que, en condiciones de ensayo que simulen severas condiciones de fun-cionamiento, dicho equipo no sufre descargas parciales que, con el tiempo, perjudica-rán su funcionamiento.

Existen diferentes normas y especificaciones que tratan las descargas parciales y su medidasobre transformadores, tales como la CEI 270 (medición en general de descargas parciales),CEI 76-3 y el documento de armonización europeo HD 398-3 S1 (descargas parciales paratransformadores en general), y la norma CEI 276 conjuntamente con el documento de armoni-zación europeo HD 464 S1 para los transformadores encapsulados en resina con una tensiónUm máxima mayor o igual a 3,6 kV.

A continuación, se muestra un ejemplo de esquema eléctrico del circuito de medición de lasdescargas parciales para un transformador trifásico.

Esquema eléctrico de medición de descargas parcialesen un transformador trifásico

Procedimiento de ensayo de descargas parciales de Merlin Gerin para el transformadorTRIHAL

La norma CEI 276 conjuntamente con el documento de armonización europea HD 464 Sl, de-fine el procedimiento de ensayo para los transformadores encapsulados en resina con unatensión Um máxima mayor o igual a 3,6 kV.

c Cuando se procede al ensayo bajo tensión inducida, se aplica un ciclo definido de es-fuerzos dieléctricos al transformador. Este ciclo comprende inducir:

v Una tensión llamada de pre-esfuerzo, destinada a simular una posible sobretensión,con un valor igual al 150 % de la tensión Um de los arrollamientos de AT del transfor-mador. Esta tensión, inducida durante 30 segundos, debe provocar descargas parcialesdebido a su alto nivel;

v Una tensión de medición de nivel de descargas parciales, fijada en el 110 % del valorUm de los arrollamientos de AT. Esta tensión es inducida durante 3 minutos para com-probar que cualquier descarga parcial aparecida durante el pre-esfuerzo ha desapare-cido.

El propio aparato de medición de descargas parciales hace físicamente imposible conseguir unnivel de 0 pC. De hecho, siempre existen pequeñas descargas parciales, aunque puedan estarsólo en el umbral de medición del aparato.


MERLIN GERIN 23

Según el documento de armonización HD 464 Sl, la ausencia de descargas parciales estáconfirmada cuando la amplitud del nivel de descargas parciales, medida al 110 % Um, es me-nor que 20 pC.

Ya que se trata de un factor determinante para la duración de vida de los transformadoresencapsulados en resina, Merlin Gerin se fija un límite incluso más estricto.

En efecto, el ensayo es más severo que el indicado en los documentos normalizados: laamplitud de las descargas parciales medidas al 110% de Um está garantizada a valoresinferiores de 10 pC en lugar de los 20 pC prescritos.

Nota:

En el caso de que Um sea mucho más elevada que Un (Um > 1,25 Un), el documento HD 464S1 prevé una disminución de las tensiones del ciclo de ensayos.

Véase, seguidamente, que los niveles de descargas obtenidos en los ensayos climáticos parael transformador Trihal (alúmina trihidratada) no superan los 2 pC.

Es preceptivo que todos los ensayos climáticos deban realizarse sobre un único transformadorde fabricación estándar para los niveles climáticos más elevados de la HD 464 S1: C2a, E2a yF1 en laboratorios de renombre internacional.

SOLUCIONES MERLIN GERIN - SCHNEIDER ELECTRIC A LOS ENSAYOS CLIMÁTICOSEN EL TRANSFORMADOR TRIHAL:

Choque térmicoLaboratorio KEMA en Holanda, ensayo sobre un

transformador tipo Trihal de 630 kVA nº 601896.01marca France Transfo/Merlin Gerin (Schneider Electric)

Protocolo de ensayo nº 31813.00-HSL 94-1258

Ensayo Climático C2a(según el anexo ZB.3.2.a de la norma)


El transformador ha permanecido durante 12 horas en una sala climática donde la temperaturaambiente se ha descendido inicialmente hasta –25 ºC ( + 3 ºC) durante 8 horas.


El transformador ha superado con éxito un examen visualseguido de los ensayos dieléctricos (ensayos de resisten-cia a la tensión aplicada y a la tensión inducida al 75% delos valores normalizados) y las medidas de descargasparciales.

Foto KEMA


MERLIN GERIN24

El nivel de descargas parciales es determinante para la duración devida del transformador seco encapsulado. Los niveles máximos impuestospor las distintas normas europeas las sitúan entre los 20 y 50 pC.

La medida realizada en el transformador Trihal ha dado como resulta-do < 2 pC.

Durante los ensayos dieléctricos, no se producen contorneamientos nidesperfectos.

Foto KEMA

Ensayo C2b complementario(según el anexo ZB.3.2.b de la norma)

Choque térmicoLaboratorio KEMA en Holanda, ensayo sobre un

transformador tipo Trihalmarca France Transfo/Merlin Gerin (Schneider Electric)



Las bobinas del transformador Trihal han sido introducidasalternativamente en dos cubas, una conteniendo agua hir-viendo > 96 ºC, y otra conteniendo agua helada < 5 ºC.

La operación ha sido repetida 3 veces. Cada inmersión hadurado 2 horas. El paso de una cuba a otra se ha realizadoen menos de 2 minutos.

Foto KEMA


El transformador Trihal ha superado con éxito un examen visual seguido de los ensayos di-eléctricos (ensayos de resistencia a la tensión aplicada y a la tensión inducida al 75% de losvalores normalizados) y las medidas de las descargas parciales.

El nivel de descargas parciales es determinante para la duración de vida de un transformadorseco encapsulado. Los niveles máximos impuestos por las distintas normas europeas las si-túan entre los 20 y 50 pC.

La medida realizada en el transformador Trihal después de este ensa-yo ha dado como resultado < 1 pC.

Durante los ensayos dieléctricos, no se han producido contorneamien-tos ni desperfecto alguno.

Foto KEMA


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Ensayos de resistencia al medio ambiente E2a(según anexo ZA.2.2ª de la norma)

Condensación y humedadLaboratorio KEMA en Holanda, ensayo sobre un

transformador tipo Trihal de 630 kVA nº 601896.01marca France Transfo/Merlin Gerin (Schneider Electric)


Ensayo de condensación


El transformador Trihal ha sido emplazado durante más de 6 horas en una cámara climáticacon controles de temperatura y condensación sobre el transformador.La humedad ha sido mantenida por encima del 93% por vaporización continua con agua salada.


A los 5 minutos del final de la vaporización, el transformador Trihal ha sido sometido, en la salaclimática, a un ensayo de tensión inducida a 1,1 veces su tensión asignada durante 15 minutos.No se han producido contorneamientos, ni desperfecto alguno.

Ensayo de penetración de humedad


El transformador Trihal ha sido emplazado en una salaclimática durante 144 horas con una temperatura manteni-da de 50 ºC ( + 3 ºC ) y una humedad del 90% ( + 5% ).


Al final de este periodo, el transformador Trihal ha sidosometido a los ensayos dieléctricos de tensión aplicada ytensión inducida al 75% de los valores normalizados.

No se han producido contorneamientos, ni desperfecto alguno.

Ensayo E2b complementario(según anexo ZA.2.2b de la norma)

Condensación y humedadLaboratorio KEMA en Holanda, ensayo sobre un

transformador tipo Trihalmarca France Transfo/Merlin Gerin (Schneider Electric)



El transformador Trihal ha sido sumergido dentro de aguasalada a la temperatura ambiente durante un período de24 horas.

Foto KEMA

Foto KEMA


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Evaluación de los resultadosA los 5 minutos de sacarlo del agua, el transformador Trihalha sido sometido a un ensayo de tensión inducida a 1,1veces su tensión asignada durante 15 minutos.

No se han producido contorneamientos, ni desperfecto al-guno.

Posteriormente después de seco, el transformador Trihalse ha sometido a ensayo de tensión aplicada y de tensióninducida al 75% de los valores normalizados.

No se han producido contorneamientos, ni desperfecto alguno.

Foto KEMA


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Tercera parte

Influencia de las sobrecargas y temperaturaambiente en transformadores

os arrollamientos de los transformadores y su circuito magnético producen pérdidas enforma de energía calorífica. Este calor debe ser evacuado al exterior de forma que no sealcance en los focos de generación ni en otras partes del circuito térmico temperaturas

que puedan dañar los aislantes.

En los transformadores podremos aumentar de forma progresiva la carga sin que se produzcaningún fenómeno particular, excepto un creciente aumento de la temperatura, que puede al-canzar, para una determinada potencia, los valores límites correspondientes a la conservaciónde la calidad de sus aislantes. Siendo, por tanto, este calentamiento el que fijará la potenciamáxima de un transformador.

Se han desarrollado numerosos estudios científicos para determinar la influencia de la tempe-ratura sobre la calidad de los aislantes sólidos orgánicos, comprobándose que son, sobre todo,las características mecánicas (resistencia a la tracción) las que se alteran más regularmente.Los aislantes, incluso convertidos en extremadamente frágiles por la acción del calor, conser-varían una buena rigidez dieléctrica si estuvieran ausentes de la acción de cualquier esfuerzomecánico. Pero esto en un transformador no es posible, ya que sus devanados sufren losefectos de fuerzas mecánicas tales como vibraciones, esfuerzos electrodinámicos debidos acortocircuitos o de choque en la brusca puesta en tensión, estas fuerzas son capaces de res-quebrajar o romper los aislamientos provocando rupturas dieléctricas entre espiras.

Estos estudios de la accióndel calor sobre los aislantes,han demostrado que, en lasproximidades de los 100 ºC,un régimen de funcionamientode 8 ºC en más o en menos,podía, respectivamente, do-blar o reducir a la mitad laduración de la vida del trans-formador. Esta ley empírica yaproximada (llamada Ley deMontsinger) pone en evidenciael interés de conocer y con-trolar la temperatura de fun-cionamiento de los transfor-madores.

Nuevos estudios, actualmente en curso, sobre el envejecimiento de los aislantes se esfuerzanen completar los criterios mecánicos expuestos, con los criterios eléctricos (ionización, absor-ción) y los químicos.

La transmisión o evacuación del calor desde las zonas de generación hasta la superficie deenfriamiento la realiza el aceite.

L


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Los procedimientos de refrigeración según la clasificación CEI son los siguientes:c Circulación natural de aceite y aire (ONAN).

c Circulación natural de aceite y forzada de aire (ONAF).

c Circulación forzada de aceite y aire (OFAF).

c Circulación forzada de aceite y agua (OFWF).

También se establecen en las norma CEI 76 (UNE 20 101), las limitaciones que pueden alcan-zarse en los distintos puntos del transformador, por convención, ya que la temperatura exteriorvaria mucho en función de la hora, estación, clima, etc., se admite limitar las amplitudes dedichas variaciones del modo siguiente:

c Temperatura media ambiente anual: 20 ºC

c Temperatura media ambiente diaria: 30 ºC

c Temperatura ambiente máxima: 40 ºC

c Calentamiento máximo del aceite: 60 ºC

c Calentamiento medio del cobre: 65 ºCc Temperatura ambiente mínima: -25 ºC (seco de tipo exterior o sumergido), o -5 ºC (seco de tipo

interior)

Lo que significa que un aparato eléctrico cualquiera no puede funcionar 24 h al día, 365 días alaño, a 40 ºC con su potencia asignada. Si éste es el caso, debe considerarse entonces que40 ºC es la temperatura ambiente media anual. La temperatura permanente no es la tempe-ratura máxima.

Estos valores son muy importantes para la definición del transformador. Si unos aparatos sonpedidos para temperaturas ambientes superiores a dichos valores, los calentamientos admisi-bles son reducidos de tanto, lo que significa que un transformador con temperatura ambientedistinta tendrá el mismo envejecimiento que un transformador estándar. Si uno de las tresambientes (máx., medias diaria y anual) es superior a los valores normalizados, la disminuciónde rango se referirá a la mayor diferencia constatada entre los valores reales y normalizados.

Caso n.º 1 Caso n.º 2

Valores Valores Diferencia Valores Diferencia

normalizados reales reales

(ºC) (ºC) (ºC) (ºC) (ºC)

Ambiente máxima 40 43 +3 50 +10

Ambiente media diaria 30 35 +5 35 +5

Ambiente media anual 20 22 +2 28 +8

En el caso n.º 1, la disminución de rango de temperatura ambiente será de 5 ºC y, por lo tanto,el transformador será calculado para una temperatura ambiente máxima de 45 ºC.

En el caso n.º 2, la disminución de rango de temperatura ambiente será de 10 ºC y, por lo tan-to, el transformador será calculado para una temperatura ambiente máxima de 50 ºC.

Estas definiciones deben aplicarse a las condiciones reales de explotación del transformador:es por tanto necesario tener en cuenta el local donde está instalado. Puede existir una tempe-ratura muy baja fuera del local y en cambio muy elevada dentro.

Las normas indican también disminuciones de rango suplementarias según la altura o las con-diciones especiales de utilización: armónicos, etc.

Las normas fijan que la máxima temperatura a que puede estar sometido el aceite del transforma-dor es de 100 ºC (60 ºC de calentamiento máximo sobre ambiente de 40 ºC), basando este valoren las características del aceite, con un amplio margen en el punto de inflamación y para evi-tar su prematuro envejecimiento.


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El proceso completo de transmisión pasa por las siguientes etapas:

c Conducción desde el punto de generación hasta la superficie del metal (cobre o chapa magné-tica).c Conducción a través del aislamiento sólido (papel impregnado en aceite).

c Por convección o circulación forzada del dispositivo de evacuación al medio ambiente.

c Por radiación, convección, evacuación al medio ambiente.

DIFERENTES REGÍMENES DE CARGA

Por lo que antecede puede observarse la importancia que tiene el conocer el ciclo de carga deun transformador con objeto de adecuar su potencia a las exigencias de explotación, teniendoen cuenta las probabilidades de sobrecarga, su periodicidad y limitaciones, así como la in-fluencia de temperaturas ambientes extremas que puedan comprometer las condiciones nor-males de servicio del transformador.

Las normas CEI 354 (UNE 20 110) y CEI 905 (UNE 20 182) dan las definiciones de los distin-tos “Regímenes de carga” para los transformadores sumergidos y secos respectivamente.Además, deberán tomarse en consideración las limitaciones debidas a las conexiones.

Las guías de carga CEI 354 y CEI 905 sólo son recomendaciones de cálculo y no indican valo-res a garantizar en los ensayos.

A continuación, definimos los valores normales de carga, de temperaturas ambientes, la espe-ranza probable de vida y sus influencias mutuas.

DETALLE DE VENTILACIÓN DE UNA CASETA PARA CENTRODE TRANSFORMACIÓN

T = 20 ºCP = 760 mm Hg

h

S1

S2

0,18 PS1=

h

Ventilación natural

P= Pérdidas totales (kW)

Aumentar 10% para T=40ºC

T > 20 ºC + SobrecargasP=760 mm Hg

T. sumergido: 0,081 PSeco clase F: 0,050 PSeco clase H: 0,039 P

Ventilación forzadacaudal aire = m /seg.3

S2 = 1.10 x S1


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Régimen de carga cíclica normal

Durante parte del ciclo (en general 24 h), se tiene una temperatura ambiente y/o una corrientede carga más elevadas que los valores asignados que están compensados por valores másbajos durante el resto del ciclo. Este régimen puede ser el de funcionamiento permanente (So-brecarga limitada a 1,5 In en las CEI 905 y 354). Este ciclo excluye totalmente los trafos dehorno o soldadura o las sobrecargas muy breves (arranque de motor…).

Régimen de carga de emergencia de larga duración

Régimen que resulta de la indisponibilidad prolongada de algunos elementos de la red que novuelven a ser conectados antes de que los calentamientos en el transformador hayan alcanza-do sus valores normalizados. No es un tipo de funcionamiento normal y se puede prever quepocas veces aparecerá; sin embargo puede persistir durante varias semanas o incluso meses ycausar un envejecimiento considerable. A pesar de todo, no debería producir ninguna averíadebida a un daño térmico o una reducción de la resistencia dieléctrica (Sobrecarga limitada a1,8 In en la CEI 354).

Régimen de carga cíclica de emergencia de corta duración

Régimen de carga excepcionalmente elevado, debido a la aparición de uno o varios elementosde baja probabilidad que perturban severamente el régimen de carga normal de la red; elevalos puntos calientes de los conductores hasta niveles peligrosos y puede causar una reduccióntemporal de la resistencia dieléctrica. Este tipo de régimen debe producirse sólo rara vez, esnecesario reducirlo rápidamente o desconectar en seguida el transformador para evitar un fallodel mismo (Sobrecarga limitada a 2 In en la CEI 354).

REGLA DE ENVEJECIMIENTO DE LOS AISLADORES

Envejecimiento de los aisladores y duración de vida

Temperatura asignada del punto caliente del arrollamiento

La base del cálculo del envejecimiento de los aisladores es la temperatura asignada del punto caliente delarrollamiento. Este límite de temperatura es función de la clase térmica del sistema de aislamiento.Es de 98 ºC para los transformadores en aceite y de 145 ºC para los secos encapsulados.

Regla de envejecimiento de los aisladores y duración de vida

Un aislante pierde sus cualidades de manera exponencial en función de la temperatura, a par-tir de la temperatura asignada del punto caliente del arrollamiento, 98 ºC para los transforma-dores sumergidos (145 ºC para los transformadores secos encapsulados), la pérdida de lascualidades aislantes se divide por 2 cada 6 ºC para los transformadores sumergidos (10 ºCpara los secos encapsulados).


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Ejemplo para un transformador sumergido:

Ya que la duración de vida “normal” de un transformador es de aproximadamente 30 años, sise utiliza el aparato con una temperatura asignada del punto caliente del arrollamiento de104 ºC = 98 + 6 en vez de 98 ºC, el transformador durará 30/2 = 15 años.

Si funciona a 110 ºC = 98 ÷ 2 x 6, durará 30/2 x 2 = 7,5 años

Estos ejemplos simplistas muestran la importancia de un buen dimensionamiento del aparato yde su correcta utilización.

Consumo de duración de vida

Esta regla de consumo de duración de vida funciona en ambos sentidos: un aparato cuya tem-peratura está permanentemente por debajo de 98 ºC para los transformadores sumergidos(145 ºC para los secos encapsulados) durará más tiempo. En caso contrario, la duración devida será mucho más corta. El principio de consumo de duración de vida en toda la vida delaparato está basado en el hecho que períodos de sobreconsumo de vida están compensadospor períodos de subconsumo de vida, estén estas diferencias de consumo debidas a diferen-cias de carga o de temperaturas ambientes.

Por este motivo, la temperatura ambiente puede variar dentro de los límites tolerados, en car-ga nominal, el mismo transformador puede estar en sobrecarga y luego en subcarga según latemperatura ambiente, pero consumir en total una duración de vida equivalente a su duraciónreal de utilización.

Sin embargo, este principio de compensación tiene un límite importante: si la temperatura delpunto caliente del arrollamiento excede un valor máximo admisible establecido en 140 ºC paratransformadores sumergidos (190 ºC para los secos encapsulados), el aislamiento se vuelvequebradizo y puede rápidamente producir la avería del transformador.

Por lo tanto, en el cálculo del consumo de duración de vida intervienen la temperatura am-biente y la carga para determinar la temperatura del punto más caliente. Comprobar que no sesobrepasa el máximo valor admisible y evaluar el consumo de duración de vida con relación ala utilización real. Dichos cálculos permiten establecer curvas de carga que figuran en lasguías de carga de las normas CEI 354 y CEI 905.

Ejemplos de cálculo:

cc Ejemplo 1: Cálculo de carga cíclica (transformador seco)

La norma CEI 905 (UNE 20182) proporciona las curvas de carga para las distintas clases tér-micas así como las distintas constantes de tiempo térmico (que traducen la velocidad de reac-ción del transformador al cambio de carga).


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Los transformadores secos encapsulados de clase F (temperatura del sistema de aislamiento:155 ºC) cuya constante de tiempo es del orden de 0,5 horas: las curvas correspondientes estánen el anexo 2 (página 38 de la CEI 905) para distintos ambientes supuestos permanentes.

Por ejemplo, se puede necesitar determinar la potencia asignada de un transformador para unservicio dado: a una temperatura ambiente permanente de 20 ºC, se busca el dimensiona-miento de un transformador seco encapsulado para suministrar 2.020 A durante 4 horas y 1444A durante las 20 horas restantes de cada día.

El ratio K2/K1 es: 2.020 / 1.444 = 1,4Para trazar la recta de la ecuación K2/K1 = 1,4 se busca:

para K1 = 1 K2 = 1,4 (K2 = 1,4 x K1)para K2 = 1 K1 = 0,71 (K1 = K2 / 1,4)

En la curva θa = 20 ºC, en la línea “4 horas”, los valores de K1 y K2 que dan K2/K1 = 1,4 son:K2 = 1,135 y K1 = 0,81. Lo que da la carga continua equivalente:

In = 2.020 / 1,135 = 1.444 / 0,81 = 1.783 APara una tensión secundaria en vacío de 400 V en trifásico, la potencia asignada será:

P = √3 x 400 x 1783 x 10-3 = 1.235 kVALa potencia normalizada superior es de 1.250 kVA.


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cc Ejemplo 2. Cálculo de la carga cíclica (transformador sumergido)

La CEI 354 proporciona las curvas de carga para los distintos tipos de refrigeración. La clasetérmica es única (clase A) y la constante de tiempo está relacionada con el modo de refrigera-ción (3 horas en ONAN).

Las curvas que corresponden a los transformadores de distribución ONAN están en el anexo 3(páginas 70 y 71 de la CEI 354) para distintas temperaturas ambientes supuestas permanen-tes, lo que puede asimilarse a una temperatura ambiente media anual.

Por ejemplo, se puede necesitar determinar la potencia asignada de un transformador para unservicio dado: a una temperatura ambiente permanente de 30 ºC (temperatura ambiente me-dia anual) un aparato debe poder funcionar cada día a 1.750 kVA durante 8 h y a 1.000 kVAdurante las 16 h restantes.

El ratio K2/K1 es: 1.750 / 1.000 = 1,75En la curva θa = 30º C y en la línea “8 horas”, los valores de K1 y K2 que dan K2/K1 = 1,75son: K2 = 1,05 y K1 = 0,6. De donde una potencia asignada de: Sr = 1.750 / 1,05 = 1.000 / 0,6= 1.666 kVA.

La potencia normalizada superior es de 2.000 kVA.

En conclusión, las sobrecargas y temperaturas ambientes condicionan considerablemente eldimensionamiento del transformador, se trata por tanto de datos muy importantes que debenconocerse cuanto antes para calcular una instalación.


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GLOSARIO

CalentamientoDiferencia entre la temperatura de un componente y la del fluido de refrigeración externo (engeneral el aire). Suele expresarse en Kelvin (abreviado K) para distinguido mejor de una tem-peratura expresada en grado Celsio (abreviada oC).

Calentamiento medioMedido por la variación de resistencia entre el arrollamiento frío (es decir a temperatura am-biente) y el arrollamiento después de ensayo de calentamiento.

Punto calienteEs el criterio más determinante para la resistencia de los aislantes y se mide regularmente conuna sonda de temperatura.

CargaDa el valor de utilización del aparato: por ejemplo un transformador de 1000 kVA cargado al80 % suministra 800 kVA.

Pérdidas en cargaPérdidas Joule generadas por el paso de la corriente en los conductores. Son proporcionales alcuadrado de la corriente y aumentan con la temperatura. Con frecuencia son designadas porPcc.

Pérdidas en vacíoPérdidas generadas en el circuito magnético en cuanto se conecta el transformador. Son inde-pendientes de la carga y temperatura. Con frecuencia se abrevian Po.

Potencia asignadaPotencia aparente disponible en continuo cuando todas las otras características están en susvalores asignados (expresada en kVA).

Disminución de rango de potenciaReducción de la potencia asignada en caso de diferencia entre los valores asignados y losvalores normalizados.

Clase del sistema de aislamientoCaracteriza la resistencia térmica de los aislantes utilizados. Es totalmente distinto del nivel deaislamiento que se refiere a los máximos valores de tensión en distintas circunstancias ensayocon impulso tipo rayo, ensayo dieléctrico, etc.


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Cuarta parte

Año 2010, límite de vida para lostransformadores con PCB

El 16 de septiembre de 1996, el Consejo de la Unión Europea ha emitido la directiva n.º96/59/CE (JOCE nº L 243/31 del 24/09/96) que refuerza las disposiciones relativas a la elimi-nación de los PCB fijando particularmente el límite de la destrucción o descontaminación alfinal del año 2010, según las modalidades que se describen a continuación.

Aplicación de estas disposiciones

c Todos los aparatos que contengan más de 5 dm3 de dieléctrico considerado como PCB.

c Todos los aparatos contaminados con más de 50 ppm de PCB.

La directiva permite, sin embargo, una cierta libertad a los Estados miembros. Autoriza la eli-minación de los transformadores contaminados con menos de 500 ppm, hasta el final de suvida útil.

A partir del 16 de septiembre de 1996, los Estados miembros tienen 18 meses paratranscribir en derecho nacional esta Directiva. Igualmente, deberán en un plazo de 3años:

c Establecer un inventario de los referidos aparatos.

c Poner en práctica un plan de eliminación y/o descontaminación de los aparatos inventariadosy de los PCB que contienen.c Presentar un proyecto relativo a la recogida y eliminación ulterior de los aparatos que contie-nen menos de 5 dm3 de PCB.

RESUMEN DE DISPOSICIONES

El inventario se hará con un etiquetado detallado de los aparatos y de su transporte y localiza-ción. Este procedimiento podrá ser simplificado en los aparatos contaminados con menos de500 ppm.

Queda prohibido separar los PCB de otras sustancias con el fin de reutilizarlas y el completarel nivel de los transformadores con PCB.

El mantenimiento de los transformadores no está permitido más que en aquellos aparatos queno presenten fugas y se encuentren en buen estado de funcionamiento.

La descontaminación, destinada a llevar la tasa de contaminación por debajo de los 500 ppm,y a ser posible a niveles inferiores a los 50 ppm, está autorizada bajo ciertos condicionantes.

Las empresas que garanticen la eliminación y/o la descontaminación deben ser poseedoras dela correspondiente autorización.

La Comisión Europea decretará los métodos de medida autorizados y fijará las normas técni-cas.


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¿Cómo saber si un transformador contiene PCB?

Sólo un análisis del dieléctrico permite responder a esta pregunta. Los transformadores conPCB puro tienen en su placa de características la indicación de “Piraleno” o “Askarel” salvoalgunas excepciones. A partir del año 1975, es obligatorio colocar en el transformador unaetiqueta amarilla que indique:

¡ATENCIÓN! este aparato contiene PCB (policlorobifeniclos: Askarel), que puedecontaminar el medio ambiente y cuya eliminación esta reglamentada.

En caso de funcionamiento anormal o desuso, se satisfaránlas disposiciones del Decreto del 8 de julio de 1975.

(J.O. del 26 de julio de 1975)

¿CÓMO UN TRANSFORMADOR EN BAÑO DE ACEITE MINERALPUEDE CONTENER PCB?

Teóricamente, los aceites minerales aislantes no contienen PCB. Sin embargo antes de 1987,han podido existir riesgos de contaminación por desconocimiento en operaciones de manteni-miento tales como el relleno del nivel del dieléctrico.

¿Cuáles son las precauciones a tomar al comprar un transformador?

El Decreto 87-59 del 2 de febrero de 1987 prohíbe la adquisición, venta, cesión a título onero-so o gratuito, el alquiler o empleo de los transformadores que contienen PCB. Esta prohibiciónno se aplica al alquiler o utilización de los aparatos en servicio antes del 4 de febrero de 1987.En caso de venta de un inmueble, los aparatos pueden quedar en su lugar, a condición que elvendedor informe al comprador.

Adquisición de un transformador nuevo

Para ofrecer la máxima seguridad a los clientes, los constructores se comprometerán y certifi-carán el suministro de los transformadores en baño de dieléctricos líquidos exentos de todoelemento de recuperación susceptible de estar contaminado con PCB. Éstos llevarán sistemá-ticamente después del año 1992 la etiqueta verde siguiente:

Se garantiza que este transformador está realizado con componentesnuevos y exentos de cualquier elemento de recuperación

susceptible de estar contaminado con PCB

Adquisición de un transformador de ocasión

Es recomendable tomar todas las precauciones exigiendo un análisis del aceite, efectuado porun laboratorio reconocido, el cual extenderá el correspondiente certificado.

¿QUÉ ES LA DESCONTAMINACIÓN?

Es un tratamiento destinado a llevar definitivamente el nivel de PCB a menos de 500 ppm, y sies posible por debajo de 50 ppm. Debe ser realizado por un organismo acreditado. Los méto-dos utilizados comprenden la sustitución (cambio de aceite) por un dieléctrico apropiado noconteniendo PCB, llamado también retrofilling, y la limpieza por separación-valorización.

La reglamentación precisa además que la sustitución del líquido no excluye su eliminaciónulterior como PCB debiendo llevar el aparato descontaminado la siguiente etiqueta:


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APARATO DESCONTAMINADO HABIENDOCONTENIDO PCB

Ha sido reemplazado el líquido conteniendo PCB:- por .....................................(líquido de sustitución)- el.........................................(fecha)- por.......................................(empresa)

Concentración en PCB- del antiguo líquido...............% en peso.- del nuevo líquido.................% en peso.

¿DÓNDE SE PUEDE DESCONTAMINAR UN TRANSFORMADOR CON PCB?

La reglamentación autoriza esta operación con ciertas condiciones. No obstante, el aparatodescontaminado se considera en términos legales como PCB, y no podrá estar exento de lasdisposiciones relativas a los aparatos que contienen PCB excepto en el caso de que el nuevolíquido contenga menos de 50 ppm a lo largo de toda su utilización.

La elección de la descontaminación o destrucción de un aparato debe ser estudiada caso porcaso y tener en cuenta varios criterios: su grado de contaminación, su masa de dieléctrico, suantigüedad. Sin embargo, se están incorporando ciertas tendencias:

- Para evitar al final de la vida útil el proceso de destrucción, la descontaminación debe garan-tizar la persistencia de la tasa residual de PCB en niveles inferiores a 50 ppm. Actualmente,es técnicamente difícil llegar a estas tasas por un método simple de sustitución si la contami-nación en principio es superior a 1.000 ppm (la tasa residual de contaminación deberá ser ve-rificada 3 meses después de la descontaminación). En tal caso, se opta por la destrucción.

- Cuando el aparato tiene más de 10 años, es preferible, por regla general, la eliminación enlugar de la descontaminación.

¿Qué hacer con un transformador con PCB al final de su utilización?

La responsabilidad del propietario queda comprometida desde el momento en que el aparatodeja de utilizarse hasta su eliminación final. El transporte y la descontaminación del aparato yla totalidad de su contenido deben ser efectuados por organismos acreditados. Todo almace-namiento antes de su eliminación debe hacerse en una instalación clasificada y autorizada. Unalbarán con el contenido de los desechos (*) deberá ser extendido a su entrega al transportista.La incineradora acreditada certificará la recepción de la carga y devolverá un ejemplar refren-dado del albaran, el cual se conservará como justificante. Cada Autonomía tendrá declaradase inventariadas las instalaciones con aparatos en desuso a espera de su eliminación.

¿Los PCB?

Al principio, se entendía por “PCB” los compuestos aromáticos clorados líquidos a base dePoliCloroBifenilos, utilizados puros o mezclados en un disolvente. Hasta que en 1986, fecha desu prohibición, se empleaban como aislantes en transformadores y condensadores, por suspropiedades de resistencia al fuego. De la familia de los Askareles, se comercializaron en Es-paña con la marca de Piraleno.

(*) Son considerados desechos, toda sustancia contaminante con más de 50 ppm: aparatos y recipientes conteniendo oque hayan contenido PCB, líquidos y materiales contaminados (tierras, gravas, serrín, maderas, monos de trabajo, pape-les...). Estos últimos se almacenarán en recipientes metálicos estancos.


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Actualmente, la legislación ha introducido igualmente un listado de dieléctricos consideradoscomo “PCB”.

- Los Ugilecs y el DBBT.

- Todas las mezclas conteniendo más de 0,005% en peso de PCB (50 ppm).

¿Su prohibición?

Los riesgos de acumulación a lo largo de la cadena alimentaria dada la escasa biodegradabili-dad de los PCB y la posibilidad de formación de productos nocivos en su degradación térmica,han conducido a los poderes públicos a prohibir su utilización y reglamentar su eliminación. Anivel internacional, los países firmantes de la convención del Mar del Norte han fijado un límitepara su eliminación total. La puesta en marcha de esta última a nivel europeo es el objeto dela presente directiva.

¿Qué son las ppm?

La unidad oficial de contenido en PCB es el % en peso. La unidad usual de medida son las“ppm” (partes por millón en masa); 1 ppm equivale a 0,0001% en peso.

Así por ejemplo: un transformador de 250 kVA conteniendo aproximadamente 200 kg de aceite(250 litros) y 10 g de PCB (6 ml) está contaminado con 50 ppm o 0,005% en peso.

ALGUNAS FECHAS RELACIONADAS CON LOS PCB

1975, publicación del primer decreto limitando el uso de los PCB y disposición obligatoria desu destrucción al fin de su vida útil.

1976, incidente de SEVESO (Italia). Los PCB no fueron la causa de este incidente, pero talacontecimiento contribuyó a dramatizar el asunto de los PCB.

1985, incidente de Reims. Un transformador sobrecargado explotó en el sótano de un graninmueble.

La comunidad europea emite una directiva prohibiendo toda instalación o utilización nueva conaparatos conteniendo PCB.

1990, dentro del cuadro de la tercera conferencia internacional para la protección del Mar delNorte, los países ribereños firman un acuerdo de eliminación de los PCB antes del año 2000.

1992, la comisión de Oslo y París ratifican los acuerdos tomados en 1990 para los paísesribereños extendiendo la limitación al año 2010 para el resto de estados.

1996, publicación de la Directiva europea fijando el límite de la eliminación de los PCB al fina-lizar el año 2010.


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Quinta parte

Bobinados de aluminio en transformadoresde distribución

l insuficiente desarrollo técnico de las aleaciones de aluminio, así como la deficientetecnología en la soldadura de este metal, determinó inicialmente el uso del cobre en losbobinados de transformadores.

Sin embargo, durante la Primera Guerra Mundial (1914-1918), y ante las grandes dificultadespara obtener cobre, se comenzó a utilizar el aluminio para la construcción de los bobinados dealgunos transformadores, medida que, por el mismo motivo, se intensificó mucho durante laSegunda Guerra Mundial (1939-1945).

Fue el imperativo de la escasez, en unas situaciones de guerra, el que precipitó e impuso lasustitución del cobre por el aluminio en la construcción de transformadores y en otros camposde la electrotecnia, pero la realidad es que ya para entonces se sentía la necesidad de poderutilizar a escala industrial como conductor eléctrico un substitutivo del cobre, debido principal-mente a la inestabilidad del precio de este metal, que por ser de especial aplicación para usosmilitares, está supeditado a que su cotización en las bolsas mundiales experimente muy gran-des oscilaciones en cuanto se produce un conflicto bélico o, simplemente, una situación políti-ca tensa.

La necesidad de sustituir el cobre por otro metal más abundante y de precio más estable, im-pulsó el desarrollo de la tecnología de las aleaciones de aluminio, así como la técnica de susoldadura, haciendo de este metal el más idóneo para la fabricación de transformadores, porreunir el conjunto de características mecánico-eléctricas óptimas en relación a su coste y ga-rantía de suministro.

En el año 1950 el aluminio comenzó su evolución como conductor para la fabricación detransformadores eléctricos. Puede decirse que en Norteamérica el 95 % de la producción detransformadores de distribución se realiza con bobinados de aluminio, y únicamente conservael empleo del cobre en aquellos casos de transformadores de pequeña potencia, en los que lareducida dimensión del diámetro del hilo impide el uso del aluminio.

También en Europa tanto los fabricantes franceses, alemanes, italianos y suizos, como los delos países nórdicos, construyen por regla general, transformadores con bobinados en aluminio

En España, General Eléctrica Española, Westinghouse (Cenemesa), Siemens, etc. construye-ron los primeros transformadores en aluminio, durante los años de la Guerra Civil (1936-1939),debido a las dificultades en la adquisición del cobre. La fabricación en España del transforma-dor de distribución con bobinado en aluminio comienza a normalizarse a partir del año 1972,desde entonces miles de transformadores han sido manufacturados para el mercado de laexportación y para el mercado nacional.

El aluminio en los transformadores de distribución

El diseño y proyecto de un transformador evidentemente viene condicionado por una serie decaracterísticas técnicas que debe cumplir: potencia, relación de transformación, pérdidas in-tensidad de vacío, impedancia, etc., siendo en definitiva los factores determinantes del dimen-sionamiento de los bobinados bien las exigencias térmicas o bien las solicitaciones dinámicas.

E


MERLIN GERIN40

En aquellas ocasiones en que las solicitaciones dinámicas son el factor determinante del di-mensionamiento de los bobinados, se utiliza en la fabricación de éstos una aleación especialde aluminio de características mucho más elevadas de cuyas propiedades se derivan otrasventajas, entre las que destacan, su límite de elasticidad que es tres veces superior al del alu-minio electrolítico normal.

PROPIEDADES FÍSICAS

En la tabla siguiente se comparan las principales características mecánico-eléctricas del alu-minio electrolítico normal, del aluminio especial y del cobre electrolítico, utilizados como con-ductores para la fabricación de bobinados de transformadores.

Esta diferencia de características conduce a dos realidades importantísimas:

Los transformadores con bobinados de aluminio exigen un proyecto especial, totalmente dife-rente al de los transformadores con bobinados de cobre.

c Los transformadores con bobinados de aluminio presentan unas ventajas indudablessobre los bobinados de cobre.

MAGNITUD Unidad Aluminio Aluminio Cobre electrolítico especial electrolítico

normal

Límite de elasticidad (alargamientoPermanente = 0,2%)......................................... kg/mm2 2,5 - 3 7 - 10 11 - 12Pérdida del límite elástico a 180 ºC................ % 17 1,5 0,5Resistencia a la tracción (límite de rotura)--. kg/mm2 7 9 - 13 20 - 23Pérdida del límite de rotura a 180 ºC............. % 15 3 0,2Envejecimiento en 100 horas a 150 ºC(cambio de valor del límite de rotura)........... % 10 0 0Conductividad eléctrica a 20 ºC...................... m/ΩΩ mm2 36 35,4 57Coeficiente de temperatura de la resistividada 20 ºC............................................................... ºC 0,004 0,004 0,0039

Conductividad térmica.................................... cal/ cm ºC seg 0,570 0,570 0,941

Temperatura de fusión...................................... ºC 655 658 1,083Calor específico................................................. cal / g ºC 0,220 0,220 0,092Peso específico................................................... kg/dm3 2,7 2,7 8,9

-1

PROPIEDADES FÍSICAS AL - CU

LA BANDA DE ALUMINIO

Una de las grandes oportunidades que ofrece el aluminio al fabricante de transformadores dedistribución, es la posibilidad de realizar el bobinado de Baja Tensión con banda de aluminio,con las extraordinarias ventajas que de la misma se derivan.

En la figura 2 se ve claramente la disposición esquemática de los conductores elementales entres tipos de bobinados:

H - Bobinado clásico de hilo, de muchas espiras por capa.P - Bobinado clásico de pletina, de múltiples espiras por capa.B - Bobinado de banda de aluminio, de una sola espira por capa.


MERLIN GERIN 41

El bobinado de banda de aluminio consiste en el arrollamiento simultáneo sobre sí mismos deuna lámina de aluminio del ancho de la propia bobina y el papel aislante correspondiente, de-jando los canales necesarios para la circulación del líquido refrigerante, de lo que resulta unabobina de una espira por capa, extremadamente robusta, de gran compaticidad y con un mejoraprovechamiento del espacio ocupado por el conductor que compensa en parte el mayor vo-lumen que tiene el bobinado de aluminio respecto al de cobre.

VENTAJAS DE LOS TRANSFORMADORES DE ALUMINIO

Los transformadores construidos con bobinados de aluminio, además de poder proporcionarlas mismas características eléctricas y de servicio que los de bobinados en cobre, presentanuna serie de ventajas, que se traducen en un mejor comportamiento ante situaciones anorma-les y mayor duración de vida.

Estas ventajas proceden de dos orígenes distintos:

POR SER LOS BOBINADOS DE ALUMINIO

1.º Mejor comportamiento térmico en caso de sobrecargas o cortocircuito.

A igualdad de características y garantías técnicas, y debido al mayor calor específico del alu-minio y a su menor conductividad, se cumple siempre que:

Masa Al . Calor espec. Al > Masa Cu . Calor espec. Cu

lo que significa que la capacidad calorífica de un bobinado de aluminio es siempre superior ala de un bobinado de cobre del transformador equivalente, y lo es en un 17% aproximada-mente, como se demuestra mediante este sencillo cálculo:

Sean dos transformadores equivalentes, uno con bobinado de aluminio y otro con bobinado decobre, que proporcionen, por tanto, la misma potencia, relación de transformación, pérdidas envacío, pérdidas en carga, tensión de cortocircuito, etc.

P B

a b a = b

Bobinados clásicos de hilo (H), pletina (P) ybobinado en banda de aluminio (B)


MERLIN GERIN42

Esto implica que la resistencia de los bobinados será igual, que la longitud del conductor será lamisma (para mantener los mismos amperios-vuelta) y, como consecuencia, las secciones deambos bobinados deberán ser inversamente proporcionales a las conductividades respectivasdel Al y del Cu, o sea, que:

SS

Conduc CuConduc Al

Al

Cu

= = =.

. ,,

57

35 41 61

Las masas de los bobinados son, respectivamente:

Masa Al = LAl . SAl . δδAl

Masa Cu = LCu . SCu .δδCu

y su relación será:

MasaMasa

SS

Al

Cu

Al

Cu

Al

Cu

= ⋅ = × =δδ

1 612 7

8 90 488,

,

,,

Es decir, que la masa del bobinado de aluminio es, aproximadamente, la mitad de la masa delbobinado de cobre del transformador equivalente :

Masa aluminio ≈≈ 0,5 ×× Masa cobre

La capacidad calorífica de un bobinado es igual a su masa multiplicada por el calor específicodel metal utilizado como conductor para su elaboración. Por tanto:

Capacidad cal. bobinado Al = Masa Al ×× calor espec. Al Capacidad cal. bobinado Cu = Masa Cu ×× calor espec. Cu

y su relación será:

Capac calor BobinadoAlCapac calor BobinadoCu

MasaMasa

Al

Cu

. .

. .

,

,, , ,= × = × =

0 220

0 09 20 488 2 39 1 167

Lo que quiere decir que la capacidad calorífica de un bobinado de aluminio es, aproximada-mente, un 17% superior a la capacidad calorífica del bobinado de cobre del transformadorequivalente:

Capacidad calorífica del bobinado aluminio ≈≈ 1,17 bobinado cobre

Esto hace que los bobinados de aluminio resistan más tiempo la corriente de cortocircuito ocualquier sobrecarga transitoria, antes de alcanzar una temperatura peligrosa para el aisla-miento.


MERLIN GERIN 43

El gráfico de la figura 3 aclaraesta idea sobre el comporta-miento térmico de los transfor-madores de aluminio.

Trazando las dos curvas querepresentan el calentamiento delos bobinados de cobre y de alu-minio, respectivamente, en unasituación de cortocircuito, se ob-serva que:

c Cuando dispara el interruptor,la temperatura alcanzada por elbobinado de aluminio es menorque la del bobinado de cobre.

Figura 3c Si el interruptor no actuase por un fallo del sistema de protección, se alcanzaría antes en elbobinado de cobre la temperatura de ignición de los aislamientos que destruye el transforma-dor.

2.º Mejor comportamiento dinámico en caso de cortocircuito

Dada la menor conductividad del aluminio respecto al cobre la sección del conductor del alu-minio, y por tanto sus dimensiones, son considerablemente superiores que cuando se utilizacobre, y ello conduce a módulos resistentes muy superiores, proporcionales al cubo de la rela-ción de dimensiones, que compensan ampliamente el menor límite elástico del aluminio res-pecto del cobre, ofreciendo por ello los conductores de aluminio muy superior resistencia a losesfuerzos radiales y axiales derivados de un cortocircuito.

Efectivamente, suponiendo como hemos hecho al estudiar el comportamiento térmico, dostransformadores equivalentes, con bobinados de aluminio y de cobre respectivamente, y ad-mitiendo que las secciones del conductor son semejantes para poder realizar el estudio com-parativo, se tiene que:

a

b

a'

b'=

a Al Cu a’

b’ b

Aluminio Al 99,5 Cobre

Sección................... SAl = a. b SCu = a’ . b’Conductividad......... CAl = 35,4 CCu = 57

Módulo resistente.... R a bAl = ⋅1

62 RCu = ⋅

1

6a' b'2


MERLIN GERIN44

La relación entre módulos es, por lo tanto,

RR

cu

Al

= =

16

a'.b'

16

a.b

a'.b'

a.b

2

2

2

2

y siendo semejantes las dos secciones, resulta que:

rRR

rcu

Al

= = =→ =a’

a

b’

b3 (1)

Por otra parte, las secciones de conductor son inversamente proporcionales a las conductivi-dades respectivas, es decir:

SS r

CC

r C CAl

cu

cu

AlAl cu= = = → =

a . b

a' . b'

12

1

2/

y substituyendo en (1) obtenemos:

RR

C Ccu

AlAl cu= /

3

2

Cuando se produce el cortocircuito se origina un momento flector M, que actúa sobre el con-ductor, desarrollando un esfuerzo máximo de trabajo σ l, función de las dimensiones del con-ductor, cumpliéndose:

σ l (esfuerzo de trabajo) =M (Momento flector)

R (Módulo resistente)

Estableciendo la relación en ambos casos, resulta:

[ ]σσ

l

l Al

Cu

= = =

MRM

R

RR

C CAl

Cu

Cu

AlAl Cu/

3

2

lo que quiere decir que para una determinada situación de cortocircuito, los esfuerzos a quetrabajan los conductores, según sea el bobinado de cobre o de aluminio, están en la mismarelación que sus conductividades elevadas a 3/2.


MERLIN GERIN 45

Comparación numérica:

Aluminio Aluminio Cobreelectrolítico 99,5 electrolíticonormal

Límite deelasticidad........... 3 10 12Conductividad...... 36 35,4 57

σ σ σl l lAl Cu Cu99 5

3235 4 57 0 489. . / ,= × = ×

σ σ σl l lAl Cu cu no r mal = × = ×36 57 0 50232/ ,

Teniendo en cuenta los valores absolutos del límite de elasticidad se llega a la conclusión deque, si se quiere que el conductor de aluminio trabaje en condiciones no inferiores a las delconductor de cobre desde el punto de vista de los esfuerzos dinámicos, utilizando aluminio99,5 no hace falta sobredimensionarlo pero sí, en cambio, si se empleara el aluminio electrolí-tico normal.

Efectivamente, suponiendo que la σ l del cobre fuera la correspondiente al limite elástico, la σ lque obtendríamos en el aluminio seria:

Límites de elasticidad

σ σ

σ σ

Al99.5

normal

l l

l l

má xcu

Al má xcu

= × = × = <

= × = × = >

.

.

, , ,

, , ,

0 489 12 0 489 5 87 10

0 502 12 0 502 6 02 3

lo que nos indica que el conductor de aluminio 99,5 trabaja muy por debajo de su límite elásti-co, debiendo por el contrario sobredimensionarse los bobinados si se utiliza el aluminio normal.

La conclusión que a que nos conduce este análisis numérico es que si partimos de un proyectobásico en cobre, al plantear su conversión a proyecto en aluminio, automáticamente y por lasexigencias térmicas, la sección del conductor se incrementa en 1,6 veces aproximadamente, ya partir de este momento, el condicionamiento dinámico impone la selección del tipo de alumi-nio, existiendo un valor crítico del esfuerzo de trabajo, σl, a partir del cual hemos de acudir alaluminio 99,5, para evitar la necesidad de un nuevo sobredimensionamiento del conductor,que elevaría el coste del transformador.

Por otro lado, el mayor dimensionamiento del conductor de aluminio, hace que tenga una ma-yor superficie de contacto con la capa de aislamiento sobre la que se apoya, con lo que seobtiene, por causa de la adherencia, una resistencia al deslizamiento de las espiras en sentidoaxial muy superior a la de un bobinado de cobre equivalente.


MERLIN GERIN46

c Menor envejecimiento de los aislamientos: más larga vida

Las Normas internacionales deconstrucción de transformadores,CEI, AINSI, etc., señalan comotemperatura máxima transitoriaalcanzable por el conductor encaso de cortocircuito, 200 ºC parael aluminio y 250 ºC para el co-bre.

Esta limitación de temperatura, yla mayor capacidad calorífica delos bobinados de aluminio, favo-rece un menor envejecimiento delos aislamientos, que son los quedeterminan la vida del transfor-mador, por lo que puede afirmar-se rotundamente que, en igualdadde circunstancias, la vida de un transformador con bobinados de aluminio es más dilatada quela de otro equivalente con bobinados de cobre.

c Menor envejecimiento del aceite

El aluminio no tiene efecto catalítico sobre el aceite, es decir, que no reacciona químicamentecon él, como lo hace el cobre, Por lo que el envejecimiento del aceite es más lento, reducién-dose los gastos de entretenimiento y conservación.

Por la posibilidad de fabricar los bobinados de baja tensión con banda en lugar de pletina

c Mayor robustez mecánicaLa propia forma constructiva descrita evidencia su extraordinaria robustez mecánica, muysuperior a la de un bobinado clásico de conductor en hélice.

c Mejor comportamiento ante los esfuerzos axiales de cortocircuitoEn el bobinado de banda, los esfuerzos axiales derivados de un cortocircuito quedan minimi-zados por la perfecta compensación de los amperios/vuelta que se consigue al poder enfren-tar, a cada espira de AT, una espira ideal de BT en la masa continua de la banda y, además,tales esfuerzos son absorbidos por la propia cohesión del material, lo que no puede ocurrir conel bobinado de conductor en hélice.

La consecuencia es que no hay desplazamiento axial de la bobina en el cortocircuito.

Figura 4

Figura 5


MERLIN GERIN 47

c Ausencia de puntos calientes en el bobinado

Las espiras superpuestas tienen una gran superficie de contacto mutuo a través de un aisla-miento delgado, que tan sólo ha de soportar la tensión por espira, lo que proporciona una rápi-da evacuación de calor en sentido radial, evitándose totalmente la producción de puntos ca-lientes en su interior.

Esta condición contribuye también a retardar la elevación de temperatura durante los regíme-nes de cortocircuito.

c El aluminio no tiene efecto catalítico sobre el aceite

Es decir, que no reacciona químicamente con el, como lo hace el cobre, Por lo que el enveje-cimiento del aceite es más lento, reduciendo aún más los gastos de entretenimiento y conser-vación.

EL ALUMINIO EN TRANSFORMADORES SECOS ENCAPSULADOS

En el caso de los transformadores secos encapsulados con resina epoxi, se observa igual-mente que las diferencias de dilatación térmica entre los sistemas de recubrimiento y el alumi-nio (véase tabla inferior) son siempre menores que con relación al cobre, por lo que se reduci-rán proporcionalmente a dichas diferencias los esfuerzos internos producidos por la variacio-nes de temperatura motivadas por el ambiente, sobrecargas o cortocircuitos (véase Ensayosclimáticos: Choque térmico), evitándose al mismo tiempo la formación de fisuras en el senodel material aislante y, por lo tanto, la generación de descargas parciales que degenerarían enla destrucción prematura del transformador.

c Menores esfuerzos debidos a la dilatación térmica en los sistemas de recubrimientode los transformadores secos encapsulados al utilizar el aluminio

Obsérvese cómo en este caso, la alúmina trihidratada (componente fundamental del recubri-miento aislante e ignífugo del transformador Trihal), ocupa el lugar preferente ya que ambosmateriales (alumina-aluminio) tienen los coeficientes de dilatación más parecidos, efectiva-mente, ambos son materiales de la misma composición.

Coeficientes de dilatación en mm/m/k 10 -6

Sistema de recubrimiento Trihal (alúmina trihidratada) 40Conductor de aluminio 24Conductor de cobre 16Resina epoxi + endurecedor sin carga 80


MERLIN GERIN48

ANEXOSeparata correspondiente a uno de los Ensayos climáticos realizados sobre un

transformador seco encapsulado Trihal (*) en los Laboratorios KEMA

Choque térmicoLaboratorio KEMA en Holanda

Protocolo de ensayo n.º 31882.00-HSL 94-1259


Las bobinas del transformador Trihal han sido introducidasalternativamente en dos cubas, una conteniendo agua hir-viendo > 96 ºC, y otra conteniendo agua helada < 5 ºC.La operación ha sido repetida 3 veces. Cada inmersión hadurado 2 horas. El paso de una cuba a otra se ha realizadoen menos de 2 minutos.

Foto KEMA


El transformador Trihal ha superado con éxito un examen visual se-guido de los ensayos dieléctricos (ensayos de resistencia a la tensiónaplicada y a la tensión inducida al 75% de los valores normalizados) ylas medidas de las descargas parciales.

El nivel de descargas parciales es determinante para la duración devida de un transformador seco encapsulado. Los niveles máximosimpuestos por las distintas normas europeas las sitúan entre los 20 y50 pC.

La medida realizada en el transformador Trihal después de esteensayo ha dado como resultado < 1 pC.

Foto KEMA

Durante los ensayos dieléctricos, no se han producido contorneamientos ni desperfecto alguno.

(*) Trihal, marca registrada por France Transfo (Schneider Electric).


MERLIN GERIN 49

Sexta parte

Los generadores de armónicos y su influencia en transformadores

LAS ONDAS ARMÓNICAS

En las redes eléctricas, la forma real de la onda de corriente es bastante diferente a la sinusoi-de pura que caracteriza a la corriente alterna.

La onda es deformada por la superposición a la onda fundamental de 50 Hz, las ondas igual-mente sinusoidales, pero de frecuencia múltiple de la onda fundamental.

Estas ondas son llamadas ondas armónicas o simplemente armónicos.

Ondas deformadas

Sinusoide fundamental

Armónica 5

ONDAS DEFORMADAS POR LAS ARMÓNICAS

Los armónicos se definen por:

c La sinusoide de frecuencia base llamada componente fundamental.

F1 = 50 Hz

c Un coeficiente que nos da la frecuencia (múltiplo entero de la componente fundamental)

llamado rango del armónico.

Hi = Fh/F1

c La tasa del armónico definido por la relación de su intensidad por la intensidad del armóni-co fundamental.

Ti (%) = Ih/I1


MERLIN GERIN50

LOS GENERADORES DE ARMÓNICOS Y SU INFLUENCIA

En la actualidad, la electrónica de potencia ocupa un lugar preponderante en la industria cons-tituyendo la principal fuente de "polución" armónica.Como es sabido, los principales generadores de armónicos son:

• Los onduladores: alimentación de ordenadores y otros equipos sensibles.

• Los rectificadores: convertidores estáticos "alterna-continua".

• Los variadores de velocidad: mando de motores eléctricos.

• Los equipos de tiristores.

• Los hornos: calentamiento por arco o inducción.

Estos generadores modifican la calidad eléctrica de las redes por:

• Una intensidad eficaz más importante.

• Una intensidad de cresta más elevada.

• Frecuencias más altas.

Provocando ciertos efectos perturbadores:

• El valor eficaz de la corriente resultante es superior al valor de corriente calculadapara las potencias necesarias, lo que entraña un riesgo de envejecimiento prematu-ro del material.

• Fenómenos de resonancia que a determinadas frecuencias dan lugar a sobreten-siones y sobreintensidades peligrosas.

Según estos antecedentes un generador de armónicos modificaría notablemente las caracte-rísticas dimensionales de un transformador.

COMPORTAMIENTO DEL TRANSFORMADOR ANTE LOS ARMÓNICOS

Un transformador viene definido por su potencia nominal igual al producto de la tensión envacío por la intensidad nominal (por √3 en trifásico) y se calcula en función de la frecuenciade la red.

Como hemos visto anteriormente, un generador de armónicos modificaría notablemente lascaracterísticas del transformador:

• Pérdidas por Efecto Joule

Si no se tienen en cuenta las corrientes armónicas, la potencia que deberá suministrar eltransformador será superior a su potencia nominal, entrañando un aumento de pérdidas porefecto Joule (RI

2) y en consecuencia un riesgo de degradación de las cualidades dieléctri-

cas del transformador por sobrecalentamiento.

• Pérdidas por corrientes de Foucault

Estas corrientes de Foucault son proporcionales al cuadrado de la frecuencia. Una corrientearmónica de frecuencia elevada puede producir en el transformador pérdidas suplementariasconsiderables.


MERLIN GERIN 51

• El circuito magnético

En casos extremos dos fenómenos pueden perturbar el buen funcionamiento de un transfor-mador:

- A las corrientes armónicas de frecuencia elevada corresponden flujos armóni-cos que se superponen al flujo fundamental. En función de la impedancia de la red, estos flu-jos pueden aumentar el valor de cresta del flujo resultante.

- Una posible componente continua puede decalar el ciclo de histéresis. Duranteun semiperíodo, el circuito magnético estará sometido a un flujo muy elevado.

Estos dos casos pueden traducirse en una inducción que altera el codo de saturación de losnúcleos magnéticos, un aumento de las pérdidas en el hierro de la corriente magnetizanteconvirtiéndose el transformador en un generador de armónicos.

SOLUCIONES POSIBLES

La existencia de las corrientes armónicas en una red eléctrica y sus consecuencias analiza-das anteriormente, conducen a tomar las disposiciones necesarias para:

c Cuantificar el grado de contaminación calculando a priori o midiendo las tensiones y co-rrientes armónicas.

c Suprimir el riesgo de resonancia en el campo de las armónicas presentes en la red, bus-car la relación (técnico-económica) más reducida posible entre la potencia de los condensado-res y la potencia de cortocircuito de la alimentación.

c Atenuar la contaminación armónica

v Separando los equipamientos por medio de transformadores propios a cadauno de ellos (con ello se atenúa la distorsión ya que la impedancia de esta parte de la red esmás reducida que la impedancia de una alimentación global).

v Instalando filtros de armónicos: - Filtro serie (llamado igualmente filtro resonante o de paso-alto). - Filtro paralelo (llamado igualmente filtro tapón o de paso-bajo).

v Sobredimensionando el materialSegún lo expuesto, es indispensable que los equipos estén en disposición de so-

portar las sobrecargas debidas a los armónicos existentes en la red.

SOBREDIMENSIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR

v Para evitar el sobrecalentamiento de los arrollamientos.

Consiste en sobredimensionar el transformador o limitar su carga en el caso de un trans-formador ya instalado.

Las normas (UTE, CENELEC...) han adoptado la fórmula de desclasificación siguiente:

K = [ 1 + 0,1 * (Hi1,6 * Ti2)]]- 0,5

Siendo: Hi = Rango del armónico. Ti = Tasa del armónico expresado en % de la intensidad nominal del transformador.

1.ª SOLUCIÓN


MERLIN GERIN52

Un transformador de 1.000 kVA conduce una corriente comprendiendo los armónicos siguien-tes:

H5 = 25% H7 = 14% H11 = 9% H13 = 8%

K = [ 1 + 0,1 *(51,6 * 0,252 + 71,6 * 0,142 + .....)]]- 0,5

El cálculo da K = 0,91: El transformador no podrá superar la potencia de 910 kVA.

Se quiere construir un transformador para suministrar 1.000 kVA a una red conteniendo losarmónicos de rango H = 6 x n ± 1, con n = 1, 2, ... y con tasas 1/H (caso típico de un rectifica-dor exafásico).

Limitándose al rango 29, el coeficiente K será igual a 0,87.

K = [1 + 0,1 * ( 51,6 * 0,22 + 71,6 * 0,142 + 111,6 * 0,092 ....)]]- 0,5

La potencia mínima del transformador deberá ser 1.000/0,87 = 1.150 kVA

Consiste, después de un acuerdo entre usuario y constructor, en calcular un transformadorespecialmente adaptado a la alimentación de un generador de armónicos.

Contra la saturación del núcleo magnético: En casos extremos será necesario calcular untransformador con inducción reducida para tener en cuenta los flujos de los armónicos im-portantes o incluso prever un circuito magnético con entrehierro para limitar la influencia deuna eventual componente continua.

CONCLUSIONES

Cualquiera que sea la solución adoptada, es indispensable que el usuario llegue a un acuerdoprevio con el fabricante.

En este sucinto análisis de las ondas armónicas, puede observarse que el problema es com-plejo:

v Las consecuencias sobre los elementos de la red, por efecto de las sobretensio-nes y sobrecargas pueden ser peligrosas.v Será necesario atenuar las perturbaciones.

v Estas perturbaciones entrañan un sobredimensionamiento importante de losmateriales de la red (hasta + 50% en casos extremos).

EJEMPLO 1

EJEMPLO 2

2.ª SOLUCIÓN


MERLIN GERIN 53

Séptima parte

Los transformadores y la CEM

La Norma europea EN 55011 impone un ensayo de Emisión electromagnética, entre 9 y150 kHz, en modo “radiado” y en modo “conducido”, sin fijar niveles límites. Esta norma estáenfocada para proteger las transmisiones radio-eléctricas que se sitúan dentro de dicha banda.

Ensayos en transformadores según EN 55011:

Se adjuntan, seguidamente los dos tipos de ensayos normalizados, realizados en transforma-dores sumergidos y secos de la firma France Transfo realizada en los laboratorios de MerlinGerin (ambas empresas pertenecientes a Schneider Electric).

MEDIDA DE LA RADIACIÓN (9 KHZ - 150 KHZ)

Se sitúa el transformador en una caja de Faraday.

Se le hace funcionar normalmente (frecuencia nominal, tensión nominal y corriente nominal).Se sitúa al lado del transformador una antena receptora de todas las bandas de frecuenciacomprendidas entre 9 kHz y 240 MHz (>>150 KHz.) observando su captación.

Los resultados del ensayo son concluyentes:

El umbral autorizado está fijado para f > 150 kHz, a Y = 5.000 µV/m.

Observándose en el ensayo que a 85 Mhz, se mide un campo de 30 µV/m, muy inferior a5.000 µV/m.

µµ


MERLIN GERIN54

MEDIDA DE LA CONDUCCIÓN (9 KHZ- 150 KHZ)

Se sitúa el transformador en una caja de Faraday haciéndolo funcionar normalmente (frecuen-cia nominal, tensión nominal y corriente nominal).

El medidor esta conectado al transformador por medio de un condensador.

La medida abarca todas las frecuencias comprendidas entre 9 Khz y 30 Mhz, las bandas porencima de los 30 Mhz corresponden a energías radiadas y no conducidas.

Ambos ensayos de emisión electromagnética entre 9 y 150 Khz. en modo radiado y conducidoson concluyentes. Afirmándose que los transformadores son, según las normas en vigor com-patibles electromagnéticamente.

µµ

Las conclusiones a los resultados de estos ensayos establecen que en funcionamiento normal,los campos magnéticos alrededor del transformador son muy escasos, aproximadamente5 veces el campo magnético terrestre.

Es sobre todo la proximidad al juego de barras de BT y según su realización, donde se puedanencontrar campos magnéticos más importantes, el instalador podrá prevenirlo eventualmentesi toma las precauciones oportunas (pantallas de aluminio, por ejemplo).

En fenómenos transitorios, como la puesta en tensión del transformador, los cortocircuitos,etc..., el campo magnético puede aumentar hasta 20 veces. Precauciones habituales como elblindaje o alejamiento pueden ser consideradas en la instalación.

ANEXO

El documento del CENELEC HD 428.4 S1 “Determinación de la potencia nominal de un trans-formador con corrientes no sinusoidales”, establece que en las redes de distribución la Distor-sión Armónica Total, TDH (Total Harmonic Distorsion) no excederá del 5%, y el Factor deDistorsión de armónicos pares no deberá exceder el 1%.


MERLIN GERIN 55

Definiendo el coeficiente TDH como:

Donde:

I1= es la componente fundamental de la corriente (de frecuencia 50= Hz).In = es el armónico n-enésimo de la corriente (de frecuencia 50.n Hz).N = es el máximo armónico a considerar.

En redes de distribución con TDH > 5% se deberá tener en cuenta el sobrecalentamiento delos transformadores por encima de los valores nominales que se especifican en sus placas decaracterísticas (calculados para teóricas corrientes sinusoidales con el mismo valor eficaz quela corriente real distorsionada).

Para estos casos el documento HD 428.4 S1 del CENELEC define la potencia nominal equi-valente de los transformadores como la correspondiente a una corriente sinusoidal que causalas mismas pérdidas en el transformador que aquellas no sinusoidales o distorsionadas.

Esta potencia nominal equivalente es igual a la potencia nominal del transformador, especifi-cada en su placa de características, dividida por el factor K de la carga que alimenta. Así porejemplo, un transformador de 1.000 kVA instalado en una red con factor K = 1,2 deberá serdesclasificado (reducido) a una potencia nominal equivalente de 800 kVA con objeto de evitarsobrecalentamientos que pudieran derivar en un prematuro envejecimiento del mismo.

Los transformadores nuevos, podrán ser diseñados para trabajar con cargas no lineales, espe-cificándose en su placa de características el factor K, siendo la potencia nominal de estostransformadores cuando trabajan en entornos lineales (sin distorsión armónica) el producto desu potencia nominal por dicho factor K.

El factor K de un transformador puede determinarse a partir de la expresión siguiente:

Siendo:

n = Orden del armónico.I = intensidad eficaz de la corriente (incluyendo la distorsión).In = armónico n-enésimo de la corriente.I1 = componente fundamental de la corriente (primer armónico).N = máximo armónico a considerar.q = constante que depende del tipo de arrollamiento del transformador (circular o rectangular)y de la frecuencia de la red. En muchos casos su valor se aproxima a 1,7.e = cociente entre la pérdida debida a la componente fundamental de la corriente (Y1) y lapérdida que se produciría con una corriente continua de aquel valor Y1, ambas medidas a lamisma temperatura de referencia. Este valor lo proporciona el fabricante del transformador ysuele estar próximo a 0,3.


MERLIN GERIN56

Octava parte

Resumen de NormativasUNE/UNESA/CÍAS.

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORESNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES

ACEITESUNE 20138 ⌠⌠ UNE 21428

SECOSUNE 20178

R. UNESA5201 D (Tipo caseta)R. UNESA 5204 C (Tipo poste)

UNE 21538

R. UNESA 5207 B (1997)

Compañías Eléctricas(FND 001, NI 72.30.00, UEFE*, N3E6)

(1990 -1996) (1989)

(1996)

* Obsoleta, en la actualidad la referencia habitual es RU 5201 D

UNE 20101 (CEI 76) (1981-87)NORMATIVA BASE

Transformadores trifásicos de distribuciónTransformadores trifásicos de distribuciónNORMASNORMAS

DENOMINACIÓNNormasEspañolas

ComitéElectrotécnico

Internacional

Documento de

Armonización

Cías. Eléctricas UNE CEI CENELEC

Generalidades Calentamiento

Niveles de aislamiento y ensayos Tomas y conexiones

Resistencia a los cortocircuitos

CEI 76 - 1CEI 76 - 2

CEI 76 - 3CEI 76 - 4

CEI 76 - 5

HD-398 - 1

HD-398 - 2HD-398 - 3

HD-398 - 4HD-398 - 5

Transformadores secos HD 464/HD 538

Trafos secos encapsulados distribución UNESA 5207 B HD 538

Sobrecargas en transformadores encapsulados

CEI 726CEI 726

CEI 905

Trafos en baño de aceite distribución UNESA 5201 D

Trafos en baño de aceite distribución

HD 428

HD 428

Sobrecargas en transformadores sumergidos Medidas de ruido

CEI 354CEI 551

Transformadores tipo poste UNESA 5204 C Pasatapas tipo abierto trafos distribución UNESA 5206 A

Bornas enchufables para trafos distribución UNESA 5205 A Medida de descargas parciales

UNE 20101 1UNE 20101 2

UNE 20101 3

UNE 20101 4

UNE 20101 5

UNE 20178UNE 21538

UNE 20182UNE 20138UNE 21428

UNE 20110UNE 21315

UNE 20138UNE 20176

UNE 21116

UNE 21313 CEI 270

Determinación del nivel de ruido en trafos UNE EN 60551 EN 60551

Fluidos para aplicaciones electrotécnicas UNE 21320 CEI 296

Recepción e inspección de transformadores UNE 66020


MERLIN GERIN 57

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORESNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES

UNE 20101 (CEI 76) (1981-87)TRANSFORMADORES CONVENCIONALES O DE PÉRDIDAS LIBRES

NORMA DE CARÁCTER GENERAL:

TODAS LAS TECNOLOGÍAS TODAS LAS POTENCIAS TODAS LAS TENSIONES

DEFINE LAS CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL TRANSFORMADOR:

GENERALIDADES CALENTAMIENTO NIVELES DE AISLAMIENTO Y ENSAYOS TOMAS Y CONEXIONES RESISTENCIA A LOS CORTOCIRCUITOS

EL FABRICANTE CONSTRUIRÁ EL TRANSFORMADOR LIMITADOPOR ESTAS CARACTERÍSTICAS DE BASE.

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITES

UNE 20138 Y UNE 21 428 (HD 428) (1990 y 1996)

BASADA EN LA NORMA UNE 20101BASADA EN LA NORMA UNE 20101

TIENE UN CARÁCTER MÁS LIMITADO:EN POTENCIAS (25 A 2.500 kVA)EN TENSIONES AT (3,6 A 36 kV)EN TENSIONES BT:

231 V (sólo hasta 1.000 kVA). (UNE 20138)400 V (UNE 20138)420 V (UNE 21428)

PÉRDIDAS REDUCIDAS (SEGÚN TABLAS).SÓLO TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN

REDUCTORES. CARGAS DE CORRIENTES NO SINUSOIDALES (UNE

21428) ESTABLECE DIMENSIONES MÁXIMAS. NIVELES DE RUIDO, COLOR DE PINTURA, ETC.


MERLIN GERIN58

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES SECOSNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES SECOSUNE 20178 (CEI 726)

BASADA EN LA NORMA UNE 20101.BASADA EN LA NORMA UNE 20101,

NORMA DE CARÁCTER GENERAL PARA TRANSFORMADORES SECOS:

TODAS LAS POTENCIAS ( Con limitaciones tecnológicas )TODAS LAS TENSIONES ( Con limitaciones tecnológicas )

DEFINE LAS CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL TRANSFORMADOR:

GENERALIDADESCALENTAMIENTONIVELES DE AISLAMIENTO Y ENSAYOSTOMAS Y CONEXIONESRESISTENCIA A LOS CORTOCIRCUITOSDESCARGAS PARCIALES

EL FABRICANTE CONSTRUIRÁ EL TRANSFORMADOR LIMITADO PORESTAS CARACTERÍSTICAS DE BASE.

(1989)

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES SECOSNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES SECOSUNE 21538 (CEI 726/HD 538) (1996)

BASADA EN LA NORMA UNE 20178.BASADA EN LA NORMA UNE 20178.

TIENE CARÁCTER MÁS LIMITADO :EN POTENCIAS ( 100 A 2500 KVA. )EN TENSIONES DE A.T. ( 3,6 A 36 KV. )EN TENSIONES DE B.T. ( SÓLO 420 V. )SÓLO TRAFOS DISTRIBUCIÓN REDUCTORES.

PÉRDIDAS DEFINIDAS. NIVELES DE RUIDO DEFINIDOS. NIVEL DE DESCARGAS PARCIALES MÁX. 20 pC. DEFINE LAS CLASES CLIMÁTICAS Y AMBIENTALES. DEFINE LAS CLASES DE COMPORTAMIENTO AL FUEGO. LIMITA LA EMANACIÓN DE GASES TÓXICOS Y OPACIDAD DE LOS HUMOS. DEFINE DIMENSIONES.


MERLIN GERIN 59

Las nuevas normas UNE 21428 y UNE 21538definen la BT = 420 V en vacío

Las nuevas normas UNE 21428 y UNE 21538 están armonizadascon la HD 472 S1.

El documento HD 472 S1 indica que la BT en Europa será de420 V en el año 2003.

Tomas de regulación recomendadas provisionalmente:

Regulación Regulación Relación de Suministro Para obtener posición transformación MT BT = MT / k

% (V) k = MT1 / 420 V (V) (V)

0 15.000 35,71 15.000 420 +2,5 15.375 36,6 15.000 410

+5 15.750 37,5 15.000 400 +7,5 16.125 38,39 15.000 390 +10 16.500 39,29 15.000 380

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESRU UNESA 5201 D

BASADA EN LA NORMA UNE 21428.BASADA EN LA NORMA UNE 21428.

NO TIENE RANGO DE NORMA. TIENE UN CARÁCTER MÁS LIMITADO:

EN POTENCIAS ( 50 A 1000 KVA. )TECNOLOGÍA ( SÓLO LLENADO INTEGRAL )EN TENSIONES A.T. ( 12 A 36 KV. )EN TENSIONES B.T. ( B2 O B1B2 )*

IGUALES PÉRDIDAS. NIVELES DE RUIDO MÁS REDUCIDOS.

*B1B2 sólo en potencias 160, 250, 400 y 630 kVA.


MERLIN GERIN60

CÍAS ELÉCTRICAS DEL GRUPO ENDESACÍAS ELÉCTRICAS DEL GRUPO ENDESA

BEGASABEGASACSECSE

ELECTRA DE VIESGOELECTRA DE VIESGOENHERENHER

ERZERZFECSAFECSAGESAGESAHECHEC

UNELCOUNELCO

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES SECOSNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES SECOSRU UNESA 5207 B

BASADA EN LA NORMA UNE 21538BASADA EN LA NORMA UNE 21538

TIENE CARÁCTER MÁS LIMITADO:

EN POTENCIAS ( 100 A 1000 KVA. )EN TENSIONES DE A.T. ( 12 A 36 KV. )

TENSIÓN ÚNICA EN B.T. DE 420 V. COINCIDEN LOS NIVELES DE PÉRDIDAS. NIVEL DE DESCARGAS PARCIALES MÁX. 10 pC. NIVELES DE RUIDO MÁS REDUCIDOS. CLASES AMBIENTALES Y COMPORTAMIENTO AL FUEGO (mímimo C1, E1, F1). EMANACION DE GASES Y OPACIDAD DE HUMOS.


MERLIN GERIN 61

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESFND 001 (G. ENDESA)

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS BÁSICASCARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS BÁSICAS

POTENCIA (kVA)

50 Yzn11100 Yzn11160 Dyn11250 “400 “630 “1000 “

TENSIÓN MÁSELEVADA PARA

EL MATERIAL(kV)

1217,5

24

36

TENSIÓN ASIGNADAPRIMARIA

(kV)

51112

13,215,4

9,5/16.45515,4/20

162025

TENSIÓN ASIGNADABAJA TENSIÓN

(V)

TOMAS DEREGULACIÓN

(%)

+-5+-10 (+-5+-10+15)*

+-2,5+-5 (*)““““

+-2,5+-5 (*)“““

(*) Provisionalmente:+-2,5+-5+7,5+-2,5+-5+10

B2 = 420 VB1B2 = 420 y 242 V

PASATAPAS AT = PORCELANAVARIANTE = BORNAS ENCHUFABLES

PASATAPAS BT = PORCELANA

BOBINADOS EN COBRE

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITES

FND 001 (G. ENDESA)

BASADA EN LAS NORMA UNE 21428, UNE 20138 y RU 5201 D.BASADA EN LAS NORMA UNE 21428, UNE 20138 y RU 5201 D.

NORMA LIMITADA A LAS CÍAS. ELECTRICAS DEL GRUPO. TECNOLOGIA ÚNICA EN LLENADO INTEGRAL. TIENE UN CARÁCTER LIMITADO:

EN POTENCIAS (50 A 1.000 kVA)TECNOLOGÍA (SÓLO LLENADO INTEGRAL)EN TENSIONES AT (12 A 36 kV)EN TENSIONES BT SÓLO 420 V (B2) o 420 Y 242 V (B1B2)

PÉRDIDAS SEGÚN R.U. 5201 D


MERLIN GERIN62

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESNI 72.30.00 y 06 (IBERDROLA)


POTENCIA (kVA)

250 Dyn 11400 “630 “


EL MATERIAL(kV)


(kV)


(V)

TOMAS DEREGULACIÓN

(%)

B2 = 420 V

PASATAPAS AT = BORNAS ENCHUFABLESPASATAPAS BT = PORCELANA

DOBLE TENSIÓN PRIMARIA =CONMUTADOR SOBRE TAPATERMÓMETRO DE ESFERA DOS CONTACTOS

BOBINADOS EN COBRE Y PÉRDIDAS ESPECIALES

13,211/20

13,2/2015/20

152030

17,5

24

36

+2,5+5+7,5+10

+2,5+5+7,5+10““

TRANSFORMADORES EN ACEITE O SILICONA

+-4,54+-9,09/ “+3,78+7,57+11,36+15,5/ “+3,33+6,66+9,99+13,33/ “

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESRU 5201 D (UFSA)


POTENCIA (kVA)

(1) 50 Yzn11(1) 100 Yzn11(1) 160 Dyn11(2) 250 “(2) 400 “(2) 630 “(1) 1000 “

TENSIÓN MÁSELEVADA PARAEL MATERIAL

(kV)

17,5

2436


(kV)

1515/20

2024


(V)

TOMAS DEREGULACIÓN

(%)

B2 = 420 VB1B2 = 420 y 242 V

PASATAPAS AT = BORNAS ENCHUFABLES*(1) PASATAPAS BT = PORCELANA

(2) PASATAPAS BT = PASABARRAS

BOBINADOS EN COBRE O ALUMINIO

+-2,5+5+7,5“““

*Para transformadores de interior


MERLIN GERIN 63

NORMAS DE TRANSFORMADORES DE ACEITE

Las normas de transformadores en baño de aceite y silicona, al igual que el resto de productoselectrotécnicos para Alta Tensión, están reguladas por el Ministerio de Industria y Energía pormedio del Reglamento sobre Centrales Eléctricas, Subestaciones y Centros de Transforma-ción, donde en su instrucción Técnica Complementaria MIE RAT 02 (Anexo RAT 02) se rela-cionan las normas UNE que se declaran de obligado cumplimiento.

Estas disposiciones son las de mayor rango a nivel nacional y por tanto obligan a los usuariosde transformadores a su riguroso cumplimiento.

Como es sabido, existen diferentes normas de obligado cumplimiento en la mencionada ITCaplicables a transformadores en baño de aceite y silicona, pero cada una de ellas tiene uncampo de utilización específico pudiendo distinguirse fundamentalmente los Transformadoresde Distribución de MT a BT del resto de transformadores, entre los que se pueden citar: losTransformadores de Gran Potencia, los Elevadores, los de BT/BT, los Separadores de Aisla-miento, los Transformadores de Seguridad, Transformadores para Rectificación, para Soldadu-ra, etc.

NORMAS DE OBLIGADO CUMPLIMIENTO PARA TRANSFORMADORES

La Norma General UNE 20.101 con sus 5 partes, constituye la base constructiva de todos losTransformadores incluyendo los de Distribución MT/BT.

La Norma UNE 20.138 es la norma específica para Transformadores de Media a Baja Tensión(MT/BT), que amplía y define determinados conceptos que no vienen referidos en la NormaGeneral UNE 20.101 tales como Potencias, Tensiones, Pérdidas, Dimensiones, Color de pintu-ra, etc.

NORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESNORMATIVAS DE TRANSFORMADORES ACEITESN3E6 (HIDROCANTABRICO)


POTENCIA (kVA)

50 Yzn11100 Yzn11250 Dyn 11400 “630 “1000 “


EL MATERIAL(kV)

24

36


(kV)

22/16222425TENSIÓN ASIGNADA

BAJA TENSIÓN (V)

TOMAS DEREGULACIÓN

(%)

B2 = 420 VB1B2** = 420 y 242 V

K = 0,75

PASATAPAS AT = BORNAS ENCHUFABLES*PASATAPAS BT = PORCELANA

TERMOMETRO DE ESFERA 2 CONTACTOS

BOBINADOS EN COBRE Y PÉRDIDAS ESPECIALES

+-2,5+5+7,5“““

**B1B2 sólo en 250,400 y 630 kVA *Para transformadores de interior


MERLIN GERIN64

CONSIDERACIONES

La Norma UNE 21 428-1 junto con las Normas UNE 21 428-1-1 y UNE 21 428-1-2, es la ver-sión oficial, en español de los Documentos de Armonización HD 428.1 S1 de fecha octubre de1992, HD 428. 1 S1/A1 de fecha marzo de 1995 y HD 428.3 S1 de fecha marzo de 1994.

Esta Norma UNE 21 428-1, publicada en el BOE del 27 julio 1996, tal como se indica, anula y sus-tituye a la Norma UNE 20 138 de fecha noviembre de 1990 y a su erratum de fecha marzo de 1991.

Actualmente se encuentra en trámite una revisión del Reglamento de Alta Tensión que yatiene en cuenta esta sustitución.

Esta convivencia entre ambas normas está generando verdaderos problemas, por un lado laevolución tecnológica y la armonización con otras normas europeas de la UNE 21.428-1 y porotro la obsolescencia de la UNE 20.138, está creando cierta confusión y haciendo que tantofabricantes como usuarios se decanten por la norma UNE 21.428-1.

Es, por consiguiente, muy importante –y así concluyen diversas asociaciones entre ellasSERCOBE–, que la única norma de las dos citadas exigible para los transformadores de Dis-tribución MT/BT es la Norma UNE 21.428-1.

En consecuencia, es conveniente hacer las siguientes recomendaciones:

A) Se debe indicar al comprador que la redacción de sus especificaciones de compra debe ser conformecon la Norma UNE 21.428-1, al sustituir ésta a otra de obligado cumplimiento.

B) La Norma UNE 21.428-1 será la base para el diseño y fabricación de los transformadoresincluidos en el ámbito de dicha normativa.

El punto fundamental de la norma UNE 21.428 que marca la diferencia fundamental con laUNE 20.138 es la tensión de secundario de 420 V en vacío para los transformadores de Distri-bución a nivel europeo ya que este aspecto tiene su origen en la norma CEI 38 armonizadacon el documento HD 472 S1 que indica que la BT en Europa será de 420 V en el año 2003.

En el transcurso de tiempo comprendido hasta el mencionado año y con objeto de que lostransformadores fabricados antes del año 2003 puedan adaptarse a las tensión actual de 400 Vy la futura de 420 V, la norma UNE 21.428 permite satisfacer las dos necesidades adoptandola regulación siguiente: +2,5+5+7,5+10% de la tensión nominal.

Ejemplo:Con un transformador de 420 V, podemos obtener en BT 400 V, de la forma siguiente:

Regulación Regulación Relación de Suministro Para obtenerposición transformación MT

BT =MT

(%) MTk=

MT 1 (V) k(V) 420 V (V)

0 15.000 35,71 15.000 420+ 2,5 15.375 36,6 15.000 410+ 5 15.750 37,5 15.000 400

+ 7,5 16.125 38,39 15.000 390+ 10 16.500 39,29 15.000 380

En la toma de regulación “+5%”, para un suministro de 15.000 V, obtendremos una tensión envacío de BT = 400 V.

En cambio, si fabricamos un transformador de 400 V con las tomas de regulación +-2,5+-5%según UNE 20.138 no podrá trabajar con el nuevo sistema de BT.

Los transformadores fabricados con la nueva UNE 21.428 con tomas de regulación+2,5+5+7,5+10% podrán trabajar con ambos sistemas de BT 400 V y 420 V.

delegaciones:

ANDALUCIA OCCIDENTALAvda. de la Innovación, s/nEdificio Arena 2, planta 2ª41020 SEVILLATel.: 95 499 92 10Fax: 95 425 45 20E-mail: [email protected]

GRANADA-ALMERIAPaseo de Colón, s/n, 1º B18220 ALBOLOTE (Granada)Tel.: 958 46 65 61Fax: 958 46 65 93

GALICIA SURZaragoza, 60 A36211 VIGOTel.: 986 41 35 22Fax: 986 41 34 30E-mail: [email protected]

CORDOBA-JAENArfe, 18, planta 2ª14011 CORDOBATel.: 957 23 20 56Fax: 957 23 20 56

CASTELLONBernat Artola, 9, 4º A12004 CASTELLONTel.: 964 26 09 50Fax: 964 26 09 50

CADIZ-CEUTASan Cayetano, s/nEdif. San Cayetano, 1º, 1711402 JEREZ DE LA FRONTERA (Cádiz)Tel.: 956 34 33 66 - 956 34 34 00Fax: 956 34 34 00

CACERESAvda. de AlemaniaEdificio Descubrimiento, local TL 210001 CACERESTel.: 927 21 33 13Fax: 927 21 33 13

BALEARESEusebio Estada, 86, bajos07009 PALMA DE MALLORCATel.: 971 29 53 73Fax: 971 75 77 64

ASTURIASMuñoz Degrain, 6, 1º, oficinas 6 y 733007 OVIEDOTel.: 98 527 12 91Fax: 98 527 38 25E-mail: [email protected]

ALICANTEMartin Luther King, 2Portería 16/1, entreplanta B03010 ALICANTETel.: 96 591 05 09Fax: 96 525 46 53

ALBACETEPaseo de la Cuba, 21, 1º A02005 ALBACETETel.: 967 24 05 95Fax: 967 24 06 49

NORTERibera de Axpe, 50, 2º, Edif. Udondo48950 ERANDIO (Vizcaya)Tel.: 94 480 46 85Fax: 94 480 29 90E-mail: [email protected]

NOROESTEJosé Luis Bugallal Marchesi, 20Entreplanta (esc. de caracol)15008 A CORUÑATel.: 981 16 90 26Fax: 981 23 02 24E-mail: [email protected]

NORDESTESicilia, 91-97, 6º08013 BARCELONATel.: 93 484 31 01Fax: 93 484 31 57E-mail: [email protected]

LEVANTECarrera de Malilla, 83 A46026 VALENCIATel.: 96 335 51 30Fax: 96 374 79 98E-mail: [email protected]

EXTREMADURAObispo San Juan de la Rivera, 9Edificio Badajoz, 2º M06001 BADAJOZTel.: 924 22 45 13Fax: 924 22 47 98

CENTRO-NORTEPso. Arco Ladrillo, 64“Centro Madrid”, portal 1, planta 2ª, oficinas 17 y 1847008 VALLADOLIDTel.: 983 47 94 16 - 983 22 46 25Fax: 983 47 90 05 - 983 47 89 13E-mail: [email protected]

CENTROCtra. de Andalucía, km 13Polígono Industrial “Los Angeles”28906 GETAFE (Madrid)Tel.: 91 624 55 00Fax: 91 682 40 48E-mail: [email protected]

CASTILLA-RIOJAAvda. Reyes Católicos, 42, 1.°09005 BURGOSTel.: 947 24 43 70Fax: 947 23 36 67E-mail: [email protected]

CANARIASGeneral Vives, 35, bajos35007 LAS PALMAS DE G. C.Tel.: 928 26 60 05Fax: 928 22 05 52E-mail: [email protected]

ARAGONPolígono Argualas, nave 3450012 ZARAGOZATel.: 976 35 76 61Fax: 976 56 77 02E-mail: [email protected]

ANDALUCIA ORIENTALAvda. de Andalucía, 31, esc. dcha.Entreplanta, oficina 229006 MALAGATel.: 95 233 16 08Fax: 95 231 25 55

GIRONAPl. Josep Pla, 4, 1º 1ª17001 GIRONATel.: 972 22 70 65Fax: 972 22 69 15

GUADALAJARA-CUENCACtra. de Andalucía, km 13Polígono Industrial “Los Angeles”28906 GETAFE (Madrid)Tel.: 91 624 55 00Fax: 91 624 55 42

GUIPUZCOAAvda. de Rekalde, 59,1ª planta, Edificio Aguila20009 SAN SEBASTIANTel.: 943 36 01 36*Fax: 943 36 48 30E-mail: [email protected]

LEONMoisés de León, bloque 51, planta 1ª, letra E24006 LEONTel.: 987 20 05 75Fax: 987 26 17 13E-mail: [email protected]

LLEIDAPrat de la Riba, 1825004 LLEIDATel.: 973 22 14 72Fax: 973 23 50 46

MURCIAAvda. de los Pinos, 11, Edificio Azucena30009 MURCIATel.: 968 28 14 61Fax: 968 28 14 80

NAVARRAPolígono Ind. de Burlada, Iturrondo, 631600 BURLADA (Navarra)Tel.: 948 29 96 20Fax: 948 29 96 25

RIOJAPío XII, 14, 11º F26003 LOGROÑOTel.: 941 25 70 19Fax: 941 25 70 19

SANTANDERAvda. de los Castros, 139 D, 2º D39005 SANTANDERTel.: 942 32 10 38 - 942 32 10 68Fax: 942 32 11 82

TENERIFECustodios, 6, 2º, El Cardonal38108 LA LAGUNA (Tenerife)Tel.: 922 62 50 50Fax: 922 62 50 60

subdelegaciones:

Schneider Electric España, S.A. Pl. Dr. Letamendi, 5-708007 BARCELONATel.: 93 484 31 00Fax: 93 484 33 07http://www.schneiderelectric.es

En razón de la evolución de las normativas y del material,las características indicadas por el texto y las imágenesde este documento no nos comprometen hasta despuésde una confirmación por parte de nuestros servicios.

080018 B00/1

D.L

.: B

-1.1

12-2

000

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