Transformadores de Distribución con núcleo de metal amorfo ABB PDF

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La distribución apuesta por el verde Los transformadores de distribución de metal amorfo de ABB están maximizando el ahorro de energía V. R. RAMANAN, MARTIN CARLEN – Con una población mundial en continuo aumento y una mayor demanda mundial de energía, mantener nuestro mundo ávido de electricidad exi...

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La distribución apuesta por el verde Los transformadores de distribución de metal amorfo de ABB están maximizando el ahorro de energía V. R. RAMANAN, MARTIN CARLEN – Con una población mundial en continuo aumento

y una mayor demanda mundial de energía, mantener nuestro mundo ávido de electricidad exige productos eficientes y redes fiables. Los programas de ahorro de energía y las exigencias de eficiencia actuales están impulsados por iniciativas tanto globales como locales centradas en la reducción de las emisiones de CO2. En el caso de los transformadores de distribución, que son un elemento esencial del sistema de suministro de electricidad, siguen produciéndose grandes pérdidas totales de energía a causa de la enorme base instalada, incluso en los transforma­ dores. modernos. A escala mundial, se estima que estas pérdidas representan ­alrededor del 2 al 3 por ciento de la producción total de energía eléctrica: unos 25 gW. Por cada gigavatio ahorrado podrían evitarse 5 millones de toneladas de emisiones de CO2 al año. Como líder mundial en la fabricación de transformadores, ABB ha creado transformadores de distribución de metal amorfo sumergidos en líquido y EcoDry que reducen las pérdidas sin carga en torno a un 70 por ciento en comparación con los materiales empleados en núcleos convencionales.

Imagen del título Los transformadores de distribución de metal amorfo pueden reducir al mínimo las pérdidas sin carga en aplicaciones de energía eólica. El parque eólico marino mostrado aquí es el danés Horns Rev I.

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La distribución apuesta por el verde

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1 Estructura desordenada del acero amorfo y estructura cristalina ordenada del acero de grano regular orientado

1a Acero amorfo

Los núcleos de metal amorfo se usan desde hace más de 20 años en transformadores sumergidos en l­íquido, y esta ­tecnología se ­a plica ahora a los transformadores de tipo seco.

C

mo parte de su cartera de transformadores ecológicos para distribución, las nuevas tecnologías de metal amorfo de ABB están contribuyendo a maximizar el ahorro de energía. Hay dos tipos de transformadores de distribución de metal amorfo (AMDT): − Transformadores sumergidos en líquido con núcleos de metal amorfo, tanto con aceite mineral convencional como con líquidos a base de aceite vegetal (BIOTEMP). − Transformadores EcoDry ultraeficientes de tipo seco con núcleos de metal amorfo. Con estos transformadores de núcleo de metal amorfo no sólo se realizan beneficios económicos claros, sino que también se obtienen ventajas medioambientales. Metal amorfo El metal amorfo utilizado por ABB es una aleación metálica de hierro, boro y silicio

1b Acero de grano regular orientado

[1].

Esta solidificación rápida da lugar a un sólido vitrificado con una estructura atómica aleatoria (amorfa) esencialmente igual a la propia de la fase líquida  ➔ 1. Esto difiere de la estructura atómica del acero al silicio convencional de grano regular orientado (RGO) (una aleación ­ Fe-Si), que tiene una estructura cristalina organizada. El uso más extendido del metal amorfo es la construcción de ­núcleos para transformadores de distribución de electricidad. Estos materiales ofrecen, en conjunto, excelentes características magnéticas y de ahorro en los costes de producción. De hecho, la ­llegada de las aleaciones de metal amorfo de Fe-B-Si a mediados de la década de los ochenta supuso el avance más importante en los materiales para transformadores de distribución de la segunda mitad del siglo XX. Para producir metales amorfos de Fe-BSi hay que lograr velocidades de soli­ dificación de 106 K/s. La alta velocidad de extracción de calor limita el sólido obtenido a la for­ ma de una del­ gada cinta, de unos 25 µm de grosor. Como el material es tan fino, la aplicación del metal amorfo se limita a los núcleos de trans­ formador arrollados. Los núcleos de metal amorfo se usan desde hace más de 20 años en transformadores sumergidos en líquido, y esta tecnología se aplica ahora a los trans­ formadores de tipo seco.

La estabilidad del comportamiento del metal amorfo a la temperatura de trabajo del transformador es muy alta, y harían falta más de 1.000 años para que se produjesen cambios significativos en sus cifras de pérdidas. (Fe-B-Si) producida por solidificación de la aleación fundida con rapidez suficiente para impedir la cristalización del metal

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Pérdidas en el núcleo considerablemente menores

La característica más notable de un metal amorfo en un transformador es ­ que las pérdidas en el núcleo son mucho menores –hasta un 70 por ciento– que con las mejores calidades de acero RGO. En el material del núcleo de un transformador se producen dos tipos principales de pérdidas: las pérdidas por histéresis y las pérdidas por corrientes de Foucault. El primer tipo refleja la facilidad de magnetización del material cuando se suministra energía al núcleo, y el segundo es consecuencia de las corrien­ tes internas generadas en el ­material. La ausencia de una estructura cristalina en el metal amorfo permite la fácil magnetización del material, con la consiguiente disminución de las pérdidas por histéresis. Las pérdidas por c orrientes de Foucault también son ­ ­menores en el metal amorfo debido a la combinación de su delgadez y su elevada resistividad eléctrica de 130 µΩcm–1, frente a los 50 µΩcm –1 de los aceros RGO. Optimización por recocido

Las bajas pérdidas en el metal amorfo se consiguen gracias a recocidos optimizados, que se logran por exposición a una temperatura próxima a la temperatura de Curie del material (668 K) durante un tiempo determinado en presencia de un campo magnético aplicado externamente. El recocido es un paso esencial para los metales amorfos. La anisotropía magnética de un material ferromagnético es una medida de la facilidad de magnetización fuera de una determinada dirección. En los aceros RGO, la estructura cristalina, que determina ejes predefinidos de fácil magnetización, define fundamentalmente esta anisotro-

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Norma del DOE, tipo seco, trifásico 97

Valor nominal del transformador (kVA)

2a Transformadores de distribución trifásicos sumergidos en líquido

Tipo seco, AMDT trifásicos, BIL (nivel de aislamiento básico) 46 – 96 kV



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Norma del DOE, sumergido en líquido, trifásico 97

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AMDT (transformadores de distribución de metal amorfo) trifásicos, sumergidos en líquido





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Eficiencia (%) con 50 % de carga

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Eficiencia (%) con 50 % de carga

2 Comparación de normas del Departamento de Energía (DoE) de EE.UU. sobre eficiencia mínima, de obligado cumplimiento, para una diversidad de transformadores

Valor nominal del transformador (kVA)

2b Transformadores de distribución trifásicos de tipo seco

pía. La estructura atómica aleatoria de los metales amorfos excluye dicha anisotropía magnetocristalina. Sin embargo, se puede inducir una anisotropía magnética que defina direcciones de ­fácil magnetización en estos materiales. Como resultado del enfriamiento muy rápido, los metales amorfos sufren gran-

La característica más notable de un metal amorfo en un transformador es que las pérdidas en el núcleo son mucho menores –hasta un 70 por ciento– que con las mejores calidades de acero de grano regular orientado. des esfuerzos de templado, lo que se traduce en una anisotropía inducida por esfuerzo. Con el recocido se relajan los esfuerzos de templado y, aplicando un campo magnético externo, usualmente de 1.000 A/m, se introduce en el material un eje preferido de magnetización (longitudinal a la cinta). Una consecuencia del paso de recocido es que el metal amorfo, anteriormente dúctil, se convierte en frágil, lo que requiere una manipulación más cuidadosa del material en los pasos siguientes.

La distribución apuesta por el verde

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3 Potencial anual de ahorro de energía e impacto sobre la producción de CO2 por el uso de transformadores AMDT [3] País

Pérdidas anuales

Potencial anual



en transformadores

de ahorro

Reducción anual de CO 2 (millones



(TWh)

(TWh)

de toneladas)

EE.UU.

141

84

UE-25

55

22

9

Japón

44

31

12

China

33

18

13

India

6

3

3

Australia

6

3

3

Total 285

La utilización de un núcleo de metal amorfo puede impedir la emisión de 140.000 toneladas de CO2 (equivalente a 60.000 kg de petróleo) durante un periodo de ­funcionamiento de 20 años para un transformador de 1.000 kVA.

Menor nivel de inducción de diseño

Debido a la presencia del boro, el metal amorfo tiene una inducción de saturación menor (1,56 T) que el acero RGO (2,1 T). Por lo tanto, la inducción de diseño con el metal amorfo es menor que la disponible en los aceros RGO. Como resultado, los transformadores de núcleo amorfo suelen tener una sección transversal del núcleo mayor, lo que se traduce en bobinas ­mayores y transformadores más grandes. Nivel de ruido del transformador

Los transformadores con núcleos de ­metal amorfo generan un nivel de ruido entre 3 y 5 dB mayor que los de núcleo de acero RGO. Las técnicas para reducir estos mayores niveles de ruido son objeto de actividades de investigación actuales de ABB. El ruido se genera dentro del núcleo del transformador debido a una ­ característica intrínseca del material que lo compone denominada magnetoestricción. Cuando la dirección de magnetización tiene que girar bajo un campo aplicado, el material experimenta un cambio de dimensiones y se produce ruido. En los aceros RGO, los ejes cristalinos de magnetización fácil están bien alineados entre los granos. Esto no es así en el caso del metal amorfo, ya que el esfuerzo de templado nunca queda totalmente relajado por el recocido. Por lo tanto, durante el funcionamiento del transformador, se ­requiere un mayor grado de rotación de la magnetización para el metal amorfo que para los aceros RGO. La variación de las dimensiones es, por tanto, mayor, lo que se traduce en un mayor nivel de ruido. Pérdidas estables a lo largo del tiempo

En el decenio de 1990 se demostró que la estabilidad del comportamiento del metal amorfo a la temperatura de trabajo del transformador es muy alta, y harían

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falta más de 1.000 años para que se produjesen cambios importantes en las ­ cifras de pérdidas [2]. Estas pruebas de envejecimiento se llevaron a cabo con toroides pequeños protegidos del oxígeno. Desde entonces, la composición de la aleación de metal amorfo ha cambiado ­ligeramente y los métodos de fabricación han evolucionado. Para garantizar la ­estabilidad de los materiales actuales (y ver la influencia del aire ambiente), ABB ha repetido mediciones aceleradas del envejecimiento a temperatura elevada (490 K) con un núcleo de tamaño real en atmósfera de aire durante más de 200 días. Pero los resultados fueron similares, lo que sugiere que no debe esperarse que se produzca degradación de las pérdidas durante el ciclo de vida del transformador. Posibles ahorros de energía

compara la eficiencia de los AMDT con las normas de eficiencia mínima de obligado cumplimiento del Departamento de Energía (DOE) de los EE.UU., para una amplia gama de valores nominales de transformadores. La mejora de la eficiencia energética conseguida está muy clara. Un cálculo rápido pone de manifiesto las posibilidades de ahorro de energía de los transformadores AMDT. Como se ha indicado, el uso de núcleos de metal amorfo puede reducir las pérdidas sin carga en el núcleo del transformador en torno a un 70 por ciento, en comparación con los núcleos de acero RGO. Admitiendo que alrededor de un 1 por ciento de la capacidad de generación instalada en EE.UU., de 1.4 TW, se desaproveche en pérdidas sin carga en los transformadores de distribución, esta reducción de pérdidas mediante el empleo de núcleos amorfos sugiere un posible ahorro anual de energía de cerca de 85.000 millones de kWh.

➔2

4 Componentes de pérdidas sin carga y con carga en un transformador clásico de tipo seco de 630 kVA

5 Pérdidas sin carga en transformadores estándar y de núcleo de metal amorfo sumergidos en líquido y de tipo seco de 1.000 kVA

8000 7000

Transformador están dar de tipo seco

Pérdidas (W)

6000 5000

Transformador estándar sumergido en líquido

4000

Transformador de núcleo de metal amorfo de tipo seco

3000 2000

Transformador de núcleo de metal amorfo sumergido en líquido

1000 0

0 20 40 60 80 100 Carga (%)

Pérdida sin carga

0

El ahorro de energía es considerable, aunque sólo se sustituya por AMDT una parte de todos los transformadores de distribución. Este ahorro obtenido de la capacidad de generación existente permite el aplazamiento o la cancelación de planes de nueva generación para atender una demanda siempre creciente. Las ventajas ambientales asociadas a la reducción de las emisiones de gases ­ ­n ocivos y de la huella de CO 2 están claras, al igual que las ventajas económicas

ponen de dos partes: la pérdida sin carga (P 0) generada en el núcleo y la pérdida con carga (P k), que se produce principalmente en los devanados de los transformadores. P 0 siempre está presente y es constante durante el funcionamiento normal, mientras que P k sólo se produce durante cuando los transformadores están trabajando y depende de la carga  ➔ 4. La pérdida sin carga de los transformadores AMDT de ABB es sólo un 30 por ciento de la correspondiente en un transformador convencional  ➔ 5. Por tanto, la utilización de un núcleo de metal amorfo puede impedir la emisión de 140.000 toneladas de CO 2 (equivalente a 60.000 kg de petróleo) durante un periodo de funcionamiento de 20 años para un transformador de 1.000 kVA.

El impacto medioambiental de los transformadores AMDT de alta eficiencia es considerablemente inferior al de los transformadores tradicionales. acumuladas por los ahorros de energía y costes. Los beneficios sociales consiguientes son obvios. Se han llevado a cabo cálculos similares del ahorro de energía y las reducciones de CO 2 para las principales naciones representativas [3] , como se ilustra en  ➔ 3. Si las emisiones de CO 2 se gravaran en 25 $/ton, esto supondría 2.500 millones de dólares anuales. Los transformadores verdes de ABB La amplia cartera de transformadores de distribución verdes de ABB permite a los clientes seleccionar el producto más adecuado para sus necesidades. A continuación se recogen algunos de los criterios principales de selección de productos. Pérdidas del transformador

Como en cualquier transformador, las pérdidas en los de metal amorfo se com-

Costes del transformador

Cuando se elige un transformador, se pueden considerar distintos costes: de adquisición, del ciclo de vida o que incluyen todos los gastos de infraestructura añadidos. Los costes del ciclo de vida ­incluyen la capitalización de las pérdidas en el transformador. Esto se hace normalmente utilizando el método del TOC (coste total de propiedad), en el que se asignan valores determinados a P0 y Pk. Estos valores, entre otras consideraciones, ­dependen del coste de la electricidad, del coste de proporcionar la energía perdida y de la utilización del transformador. Los valores utilizados por la mayoría de las compañías eléctricas oscilan entre 5 y 10 $/W para P0 y entre 1 y 2 $/W para Pk.

500 1000 1500 2000 Pérdida sin carga (W)

Pérdida con carga

TOC = CT+ A · P0+B · Pk ($) donde TOC = coste total de propiedad, CT = precio de compra del transformador, A = factor de capitalización para pérdidas sin carga y B = factor de capitalización para la pérdida con carga. Los AMDT tienen un coste de adquisición mayor. Sin embargo, si se tienen en cuenta los costes del ciclo de vida, ­siguen siendo la opción más económica. Sostenibilidad medioambiental y respeto al entorno

ABB ha realizado una evaluación comparativa del ciclo de vida (ECV) entre los transformadores AMDT y los de núcleo de acero RGO. La ECV es una herramienta de gestión medioambiental que se utiliza para comparar el posible impacto medioambiental causado a lo ­ largo de todas las fases del ciclo de vida del producto (fabricación, utilización, ­final de la vida útil) para diversos tipos de productos y sistemas, respecto a varios criterios críticos para el medio. ➔ 6 , el impacto Como se ilustra en   medioambiental de los AMDT de alta eficiencia es considerablemente inferior al de los transformadores corrientes. Este menor impacto está dominado por las ventajas durante la fase de utilización y las pocas pérdidas sin carga del núcleo de metal amorfo. Transformadores verdes y aplicaciones El empleo de los transformadores de ­núcleo amorfo de ABB puede tener un importante impacto en el consumo de energía de muchas aplicaciones diferentes, como compañías de servicios, ­generación de energía eólica y centrales eléctricas fotovoltaicas.

La distribución apuesta por el verde

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6 Impacto ambiental relativo de los transformadores 100 Potencial de calentamiento global mondial (kg CO2 equiv.) 80 Impacto ambiental relativo

Potencial de acidificación (kg SO2 equiv.) Potencial de eutrofización (kg fosfato equiv.) Potencial de toxicidad humana (kg DCB equiv.) Potencial de destrucción de la capa de ozono (kg R11 equiv.)

60

40

20

Potencial de formación de ozono fotoquím. (kg eteno equiv.)

0 0 20 30 40 50 Carga del transformador (%)

0 20 40 60 80 100 Impacto ambiental relativo (%)

Estándar seco

6a Impacto ambiental relativo de transformadores de núcleo de metal amorfo comparado con los normales de tipo seco, calculado para una carga del 20%

La tecnología de núcleo de metal amorfo de ABB para los transformadores de distribución sumergidos en líquido y de tipo seco es un paso importante para mejorar la eficiencia energética.



EcoDrybasic

Transformador de núcleo de metal amorfo sumergido en líquido Transformador estándar de baja pérdida sumergido en líquido

6b Impacto ambiental relativo de transformadores de núcleo de metal amorfo comparado con los normales de baja pérdida (B kA0) sumergidos en líquido, en función de la carga del transformador

Los transformadores en la red de distribución de las compañías eléctricas

Para las compañías eléctricas, la reducción de las pérdidas sin carga es prioritaria, ya que la car...