HISTORIA DE LOS TRANSFORMADORES ABB – TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS
Historia de los transformadores abb – desde sus inicios hasta hoy
Imagine por un momento un mundo sin transformadores eléctricos: no habría sistemas de transmisión de alto voltaje y por consiguiente, no habría forma, desde el punto de vista económico, de transportar la electricidad a largas distancias. La infraestructura del suministro de energía no tendría ni las economías de escala ni la acumulación de recursos que disfrutamos hoy en día. Otros avances más recientes que no habrían sucedido son el comercio energético internacional, con sus beneficios para el cliente, o el aprovechamiento a gran escala de la energía eólica en regiones lejanas, con sus beneficios medioambientales. Hoy en día no se podría confiar tanto en la energía eléctrica, sería más cara, y las industrias y los hogares tendrían un aspecto muy diferente.
Prácticamente a lo largo de toda la historia de los transformadores comerciales, los transformadores ABB y sus compañías predecesoras han estado a la vanguardia de su fabricación y desarrollo. En este artículo, la Revista ABB examina los momentos más importantes de este desarrollo
Los transformadores ABB han estado siempre en una buena posición para satisfacer las demandas del mercado de los transformadores eléctricos, desde las piezas simples de equipamiento en transmisiones punto a punto hasta los ingredientes vitales de las redes eléctricas interconectadas que se extienden por vastas áreas. Desarrollo de potencia y de tensión A finales del siglo XIX, el transformador demostró ser un componente indispensable para la transmisión competitiva de la energía eléctrica. Durante la exposición de Frankfurt am Main en Alemania del año 1891 se hizo una demostración de una instalación de 20 kV donde se probó la viabilidad de los transformadores eléctricos. Dos años más tarde, ASEA, una de las empresas matrices de ABB, suministró una de las primeras transmisiones comerciales trifásicas en Suecia, desde una central hidroeléctrica a una mina de mineral de hierro a 10 km de distancia.
Los transformadores abb hicieron posible generar energía eléctrica a baja tensión y después transformarla a niveles más altos a los que la transmisión sufre bastantes menos pérdidas, transformando después la tensión a un nivel más seguro en el lugar de consumo.
La fabricación de transformadores comenzó en la mayoría de los países de Europa y EEUU. ASEA, BBC, General Electric, Westinghouse y otras compa- ñías adquirieron rápidamente experiencia en la fabricación e instalación de transformadores
1 . En aquel momento, todas eran compañías nacionales con tecnologías patentadas que abastecían a empresas de servicios públicos locales en estrechas asociaciones. Países como Suecia, que no posee prácticamente ninguna reserva nacional de combustibles fósiles pero tiene un gran potencial para la energía hidroeléctrica, aunque lejos del usuario, se mostraron especialmente entusiasmados en hacer uso de la transmisión de la energía eléctrica. A medida que las distancias de transmisión aumentaban, la tensión de transmisión
también tenía que elevarse para que las pérdidas continuasen siendo bajas y reducir el número de líneas necesarias en paralelo. A principios de los años cincuenta, Suecia puso en marcha la primera transmisión de 400 kV del mundo con una longitud de 1.000 km y una capacidad de 500 MW. Este gran avance en la tensión y en la capacidad marca un nuevo nivel en Europa. Esta tensión extra alta (EHV) puso a prueba no sólo la capacidad de diseño y fabricación, también supuso un desafío para las pruebas. Las líneas de transmisión de gran longitud presentaban un riesgo de tensiones transitorias. Tuvieron que establecerse procedimientos de pruebas nuevos y más estrictos para el dieléctrico. Estas nuevas pruebas se incorporaron a los ensayos de aceptación de los transformadores. Pronto, la mayor parte de Europa seguía el ejemplo de Suecia y adoptaba la tensión extra alta (EHV) de 400 kV
2 . La provincia canadiense de Quebec tenía una situación similar a Suecia, con limitados combustibles fósiles y abundante energía hidroeléctrica, además de grandes distancias geográficas entre éstas y las áreas industrializadas. Se necesitaban tensiones aún mayores para hacer un uso eficiente de estas fuentes energéticas.
En la segunda mitad de los años sesenta, la compañía eléctrica Hydro Quebec introdujo una transmisión de 735 kV (nivel que se llamó posteriormente de 800 kV). En EEUU, la construcción de grandes centrales térmicas cobró pulso, con plantas del tamaño de edificios, de 1.000 MW y más. Para que esas plantas tan grandes fuesen viables, la energía eléctrica tenía que distribuirse a largas distancias cubriendo vastas áreas. Por lo tanto, se introdujo un sistema de 765 kV además del de 345 kV ya existente. Al tiempo que se estaban construyendo sistemas de 765 kV, se extendían los de 500 kV. Un ejemplo de trabajo de desarrollo en los grandes transformadores de interconexión son las primeras unidades monofásicas de 400 MVA con una potencia nominal de 500/161 kV, que se entregaron a las autoridades del valle de Tennessee (TVA). Las primeras entregas de ASEA en Ludvika con este objetivo usaban un nú- cleo de cinco columnas con tres devanados en paralelo. Posteriormente, el número de devanados se redujo de tres a dos para la misma potencia nominal.
Finalmente, la última entrega con las mismas especificaciones se construyó con un devanado principal y la parte de regulación de la tensión en una de las columnas laterales. En todos estos transformadores los devanados de alta y baja tensión estaban separados, es decir, no existía conexión entre ellos. Además de ahorrar horas de mano de obra en fabricación debido al menor número de devanados, la transición del primer diseño al último redujo la masa seca total en una cuarta parte. Las pérdidas totales (pérdidas sin carga y pérdidas de carga) también se redujeron en un 20 %. Tras finalizar estas entregas, el cliente empezó a adquirir e instalar transformadores de transmisión autoconectados con las mismas especificaciones. A principios de los años setenta, la TVA puso en marcha la primera central eléctrica de 1.200 MVA en Cumberland, Tennessee. ABB Ludvika fabricó los transformadores elevadores para generadores (420 MVA nominal) con un diseño monofásico. Estos transformadores representaban un gran avance técnico en términos de capacidad de potencia en un devanado. Al mismo tiempo, ABB Ludvika lanzó un programa de desarrollo junto con American Electric Power (AEP), la compañía eléctrica privada más grande de Norteamérica, con el propósito de encontrar la tensión de transmisión más alta técnicamente posible. Para ello, ABB fabricó un gran transformador de red monofásico con una tensión máxima de 1.785 kV y 333 MVA de potencia nominal. El transformador tenía un devanado y, con un núcleo ampliado de cinco columnas con tres devanados, la capacidad habría sido de 1.000 MVA por fase, es decir, una capacidad total de 3.000 MVA en un banco trifásico completo. El transformador se instaló y se utilizó en las instalaciones de investigación dirigidas conjuntamente por ABB y el cliente. El transformador funcionó con éxito hasta la finalización del programa de investigación
3 . Otras empresas predecesoras de transformadores ABB también se embarcaron en programas de desarrollo similares, con el objetivo de conseguir diseños para transformadores capaces de manejar tensiones de transmisión de 1.000 kV y superiores. Un ejemplo son el transformador y el reactor shunt construidos en Italia para 1.000 kV e instalados en la estación de pruebas de ENEL en Suveto
4 . El cambio en las pautas de producción de energía y el aumento del número de redes eléctricas tuvo como consecuencia el aplazamiento de la búsqueda de tensiones de transmisión más elevadas y capacidades extremas. Las tensiones superiores a 400 kV en Europa y 800 kV en otros continentes no se han puesto en servicio hasta ahora para uso comercial. La necesidad de una capacidad elevada, una transmisión a larga distancia, por ejemplo, para llegar a centrales hidroeléctricas grandes y alejadas, ha vuelto a despertar el interés en China y la India por la búsqueda de tensiones en el rango de 1.000 a 1.200 kV.
Tipos de transformadores eléctricos
La mayoría de los transformadores se basan en el concepto de tipo núcleo de hierro, un concepto que se puede describir en la actualidad como unos devanados en forma de cilindros dispuestos en forma concéntrica en un núcleo con forma de cilindro. Un concepto de diseño alternativo es el llamado tipo acorazado, donde los devanados tienen una forma rectangular y los segmentos de alta y baja tensión están más o menos entrelazados. Para algunas aplicaciones el concepto de tipo acorazado ha encontrado una posición viable, por ejemplo grandes transformadores de generadores con requisitos especiales. Las grandes diferencias en cuanto a las técnicas de producción para los dos diseños hacen que sea posible tener un taller diferente para cada concepto. Así, ABB ha establecido la producción de la mayoría de los transformadores abb de tipo acorazado en su fábrica en España. Reestructuración de la manufactura Los transformadores eléctricos se consideraban antes como productos más o menos estratégicos y varios países pensaron en la importancia de contar con una capacidad de fabricación nacional. De este modo, ASEA creó fuertes vínculos con los fabricantes de transformadores eléctricos establecidos o construyó nuevas fábricas en varios países como Alemania, Sudáfrica, EEUU, Canadá, Noruega y Brasil. BBC, con fábricas de transformadores en Alemania y Suiza, creó una fábrica en Brasil. Westinghouse apoyó la construcción y aportó su experiencia técnica a diversas fábricas de Italia, España y Australia. Los transformadores eléctricos son productos complejos de “ingeniería bajo pedido“ que requieren preparación y experiencia en diseño y fabricación.
Este tipo de sector comercial debería desarrollarse con instrucciones definidas que se reflejen en herramientas de diseño y fabricación. Para hacer un uso eficiente de los recursos disponibles, se unificaron los métodos de diseño y producción para todas las fábricas del grupo. La fábrica de ASEA en Ludvika sirvió de recurso técnico, asesoró y ayudó en cuestiones técnicas y de fabricación. Una vez al año (o más a menudo cuando se necesitaba), los directores técnicos y de fabricación se reunían para intercambiar información y conocer las últimas novedades en trabajo de desarrollo. A menudo se invitó a Ludvika a ingenieros de las diferentes compañías para proporcionarles enseñanza y formación, y se ofreció a ingenieros altamente cualificados de Ludvika la oportunidad de ocupar puestos de mando en las diferentes empresas. Las reglas de diseño y los procedimientos de fabricación se documentaron en normas o instrucciones especiales que contemplaban las fases individuales del proceso de construcción de los transformadores. Esta forma de trabajar hizo posible que se acumulara una considerable experiencia en cada fase del diseño y la fabricación de los transformadores eléctricos. Además, la gran base de producción total permitió mantener y apoyar un equipo de desarrollo global.
La estrecha colaboración entre las unidades de fabricación individuales continuó después de la formación de ABB. A todas las unidades que participaron se les concedió acceso a la información común y el apoyo de todos los empleados del grupo ABB. En la actualidad, las herramientas informáticas empleadas en la ingeniería y el diseño son las mismas en todo el mundo. Transmisiones a larga distancia Para utilizar mejor las líneas existentes y los trazados se han creado tres tipos de equipos: reactores shunt, desfasadores y transformadores para convertidores de corriente continua de alta tensión (HVDC) Transformadores para convertidores de HVDC La transmisión con HVDC tiene algunas ventajas cuando se trata de transmisión a larga distancia. El modo se usó por primera vez en las largas transmisiones por cable de CC, para reducir la necesidad de atenuar la tensión excesiva acumulada a lo largo del cable, producido por la potencia reactiva. En las transmisiones HDVC, el transformador eléctrico no sólo modifica las tensiones para que se pueda intercambiar la potencia entre los sistemas de CA y CC, también transforma la tensión de CA de un sistema trifásico a un sistema exafásico. Esto permite reducir los armónicos generados por las corrientes de la válvula. Además, el transformador actúa de barrera para el potencial de CC, evitando que la tensión de CC entre en el sistema de CA. Los armómicos de la corriente de las válvulas y el potencial de CC aplicado en el lado de la válvula del transformador implicaban nuevos desafíos técnicos para el ingeniero del transformador. Los armónicos producen más pérdidas que deben tenerse en cuenta y minimizarse para evitar recalentamientos locales peligrosos en el transformador. El potencial de CC en los devanados de la válvula origina un patrón de rigidez dieléctrica diferente al generado por las tensiones de CA normales. El diseño del transformador para convertidor moderno tiene su origen en las unidades creadas para el proyecto Itaipu en Brasil en los ochenta. Se alcanzó una tensión de transmisión de CC de 600 kV con dos convertidores conectados en serie. Con esta forma de conexión, los transformadores para el puente superior deben ser capaces de soportar una tensión dieléctrica no disruptiva de 600 kV. Hay un total de 24 transformadores monofásicos para convertidores a cada extremo de la transmisión HVDC, con una capacidad total de 6.000 MW. El transformador se construye como una unidad monofásica con dos devanados laterales de válvula, uno para la conexión en triángulo y el otro para la conexión en estrella (ambos necesarios para alcanzar el desfase necesario). Los dos devanados laterales de válvula se montan en columnas separadas en un mismo núcleo y actúan eléctricamente como dos transformadores independientes1). En 2004, transformadores ABB suministró unidades monofásicas con una potencia nominal de 620 MVA al Pacific Intertie (EEUU) para una tensión de transmisión de CC de 500 kV 5 . Estos son los mayores transformadores para convertidores fabricados hasta el momento. Actualmente, ABB se encuentra en la fase final del desarrollo de transformadores para convertidores para transmisiones de CC de 800 kV2). Las transmisiones punto a punto para largas distancias, especialmente en Extremo Oriente, pueden beneficiarse del uso de tensiones más altas de las que están disponibles actualmente. Entre las ventajas medioambientales destacan las menores pérdidas en la transmisión y la reducción del uso de terreno para el trazado. El desfasador El flujo de electricidad en las transmisiones de alta tensión tiene que controlarse para conseguir una distribución de carga eficiente entre las líneas eléctricas. La carga de las líneas individuales está determinada por el desfase entre los nodos del sistema de transmisión. Un desfasador ofrece una forma de controlar este decalaje y por consiguiente, el flujo de carga. Un desfasador así se instala en serie con la línea eléctrica y tiene una tensión de salida igual a la de entrada, pero con una diferencia de fase variable. Como sólo hay una necesidad limitada de variar la diferencia de fase, se puede reducir la complejidad del desfasador para producir únicamente una tensión en cuadratura; en ese caso al aparato se denomina transformador desfasador 6 . Físicamente un transformador desfasador está formado por dos transformadores: una unidad magnetizante y una unidad en serie3). El reactor shunt El reactor (llamado a veces inductor) no es un transformador en el sentido de un dispositivo que transforma la energía de un nivel de tensión a otro, pero el hecho de tener una estructura y fabricación similares lo convierten en un producto muy adecuado para una estación transformadora. El reactor encontró su aplicación en la primera mitad del siglo pasado como medio para controlar las sobrecargas y evitar los cortocircuitos 7 . Las líneas de transmisión de gran longitud y las grandes redes de cables de alto voltaje generan una cantidad importante de potencia reactiva. Si no está equilibrada, se producirán aumentos de la tensión crítica con cargas ligeras. Un reactor (el reactor shunt) instalado entre la línea eléctrica y tierra proporciona un medio eficaz para controlar y compensar esa generación reactiva. Esencialmente, el reactor shunt actúa como sumidero de la potencia reactiva. El reactor shunt moderno se introdujo a finales de los sesenta con el uso de componentes y la tecnología del transformador de columnas o de núcleo de hierro 8 .
Transformadores abb industriales
Un segmento importante de la familia de productos de transformadores ABB está constituido por grandes transformadores para aplicaciones industriales, como los transformadores de horno y los transformadores rectificadores
9 . Estos transformadores se caracterizan por la tensión comparativamente baja del lado secundario, siendo las corrientes adecuadamente altas. Las corrientes de carga de 60 kA o más no son inusuales. Estas corrientes elevadas con un gran contenido en armónicos plantean desafíos importantes, especialmente en cuanto a los altos flujos de campo magnético alrededor de los conductores de salida del depósito y en torno a las partes de los conductores en contacto con el aire. En los transformadores para hornos, las altas corrientes vienen acompañadas por frecuentes cortocircuitos durante la fase inicial de calentamiento del acero en el crisol. Para resistir estas fuerzas de cortocircuito y por la exigencia de amplios márgenes de regulación se necesita un cuidado especial en el diseño y la fabricación. Formación de ABB En agosto de 1987, la empresa sueca ASEA y la sueco-alemana BBC se fusionaron formando la empresa conjunta ABB. Poco tiempo después, ABB adquirió los segmentos de fabricación de transformadores de Westinghouse (EEUU), Ansaldo (Italia) y de algunas fábricas en España. La National Industry Noruega y la Finnish Strömberg habían entrado a formar parte de ASEA justo antes de la fusión. De hecho, hoy en día ABB cuenta, gracias a sus predecesores, con una experiencia conjunta de 700 años en la fabricación de transformadores Cuadro .
Tuvieron que unificarse y funcionar juntas varias tecnologías de transformadores en el menor tiempo posible, además de plantas y procedimientos de fabricación, y todo ello sin disminuir el ritmo de producción normal. Fue un esfuerzo realmente titánico. Se establecieron una serie de grupos de trabajo y de I+D para evaluar las tecnologías individuales y seleccionar las más viables. Aunque los principios de la tecnología de transformadores son universales, al detalle existen muchas diferencias. Los objetivos principales eran reducir los costes, acortar los tiempos de producción y aumentar la calidad medida en términos de fallos en la sala de pruebas. Era importante presentar todas las variables de diseño y producción en un sistema informático perfecto, que apoyase el diseño y la fabricación según los requisitos del cliente. ABB consiguió unificar su tecnología y actualmente ofrece el mismo producto y un nivel elevado de calidad dondequiera que se haya fabricado el transformador, ya sea en Alemania, Canadá, Brasil, India o China. Se espera que los transformadores eléctricos proporcionen un servicio fiable durante 30 ó 40 años en todo tipo de redes. Varias de las plantas de fabricación participantes necesitaban una renovación y una modernización importantes para alcanzar el nivel de transformadores ABB en cuanto a limpieza y capacidad, para fabricar transformadores que cumplan todas las exigencias actuales. Se realizaron numerosas inversiones para nuevas instalaciones, lo que permitió una rápida escalada de la producción usando esta base de tecnología común y con una gran ayuda de los equipos de apoyo técnico. ABB creó una escuela de ingeniería en Alemania: el Knowledge Communication Centre (centro para la transmisión de conocimientos).
El aumento del volumen de fabricación que tuvo como resultado la formación de ABB hizo posible que se iniciaran varios programas de desarrollo, incluida la exploración de diseños innovadores de transformadores. Entre los conceptos de diseño estudiados estaban los transformadores superconductores (uno de 630 kVA estuvo un año de servicio) con conductores de bobinado HTSC4), devanados enrollados en láminas de alto voltaje (tres unidades en servicio), grandes devanados secos y enfriados por aire basados en tecnología por cable (dos unidades en servicio). Al embarcarse en éste y otros proyectos especulativos más o menos parecidos, ABB ha adquirido numerosos conocimientos que también se aplican a la tecnología convencional de transformadores. Y aunque el mercado no ha aceptado aún plenamente estas innovaciones, las soluciones ya están disponibles. En vista de la enorme capacidad de la recién creada ABB, el segmento de los transformadores pudo continuar la activa participación de sus predecesoras en organismos internacionales como Cigré, IEC e IEEE. Esta participación ha hecho posible establecer normas sobre los niveles y procedimientos de pruebas para comprobar la integridad del transformador bajo diferentes condiciones de funcionamiento. La aplicación de los exigentes requisitos de calidad en el diseño y la fabricación ha reducido el riesgo de que se produzcan dificultades operativas imprevistas durante una larga vida de servicio. Tras la fusion, ABB desarrolló una gama de transformadores que cubre toda la cadena de transmisión, desde que la energía se genera hasta que pasa por el enchufe en el hogar. Los transformadores que se utilizan en las últimas etapas de esta cadena normalmente se denominan transformadores de distribución.
Estos transformadores se construyen más o menos al por mayor, pero adaptándolos a la topología de la red de cada región
10 . Transformadores ABB emplea todo su conocimiento y habilidades al desarrollar y construir materiales y componentes estratégicos de los transformadores en plantas especiales. A este respecto, cabe mencionar los productos de gran calidad como los cuadros de transmisión o los kits de aislamiento del devanado fabricados con la tecnología de la propia empresa. ABB es también uno de los mayores proveedores mundiales de todo tipo de conmutadores y aisladores, y el uso de su propia tecnología en transformadores, materiales de aislamiento, conmutadores, aisladores y el prometedor control electrónico de transformadores, la sitúa en una posición única en lo que se refiere a ofrecer una cartera completa de transformadores y a proporcionar una base sólida para el desarrollo futuro. Cambio geográfico de la producción El impacto de la formación de ABB se limitó en buena parte a Europa, donde se encontraban la mayor parte de las plantas de fabricación. Posteriormente siguieron adquisiciones en el continente norteamericano. Sin embargo, a finales de los ochenta y los noventa, la expansión y el crecimiento de la generación y la transmisión sufrieron una desaceleración en el mundo occidental. La capacidad existente era más o menos suficiente para cubrir la demanda. La gran disponibilidad de petróleo redujo la necesidad de convertir los suministros de energía en electricidad.
Esta situación llevó a un exceso de capacidad en el mercado de los transformadores eléctricos. Al mismo tiempo, las economías de los países de la costa del Pacífico y Extremo Oriente repuntaron y creció la necesidad de energía eléctrica. Las plantas de transformadores en Europa y Norteamérica tuvieron que cerrar mientras que ABB creaba nuevas fábricas en China e India. ¿Cómo se presenta el futuro? Los transformadores basados en el principio de inducción seguirán siendo la base de la transformación de tensión durante muchas décadas. Los cambios en los materiales utilizados ayudarán a reducir costes y a controlar mejor la capacidad térmica. Estos avances afectarán a los materiales conductores, además de los materiales aislantes sólidos y líquidos; sin embargo, no hay ningún sustituto a la vista para el acero denominado “magnético” y el núcleo del transformador. En el futuro habrá nuevas formas de clasificar los transformadores con un mejor control de la capacidad térmica, lo que ayudará a reducir el uso de materiales costosos. Las especificaciones de los transformadores tienen que evolucionar para dar más importancia al perfil de carga, al crecimiento futuro y a las cargas de emergencia, con nuevas normas que contemplen las áreas más propensas a envejecer. Las nuevas formas de clasificación de los transformadores por esas normas internacionales requerirán la integración de más inteligencia. Otro objetivo es aumentar más la integridad mecánica, térmica y dieléctrica de los transformadores para que estén mejor equipados para sobrellevar las mayores tensiones que afectarán a las redes del futuro.
fuente: https://library.e.abb.com/public/0cf48fc0015c6579c125735c0039b935/80-86%203M783_SPA72dpi.pdf