El planificador de distribución está mirando un mapa de la red de una región que aún está creciendo. A pesar de que la columna vertebral de 110kV está bien desarrollada, el problema radica en los alimentadores de 10kV que se encuentran al final de cada ramal de 35kV: las aldeas más alejadas están recibiendo solo 9.2kV durante la carga máxima de la tarde, mientras que en la barra de bus de la subestación ubicada junto a la estación de 110/35kV, se puede leer 10.8kV. No hay solución al problema en forma de nuevos alimentadores: la empresa de servicios públicos no puede permitirse esta inversión en el año actual, pero se puede tener una mejor idea de la ubicación y el dimensionamiento de las estaciones de transformadores sumergidos en aceite de 35kV que se encuentran entre los dos niveles de voltaje, donde están reduciendo, regulando y distribuyendo la electricidad en todas las salidas por debajo.
El artículo proporciona una descripción de la situación con el transformador sumergido en aceite de 35kV y da una idea de por qué este equipo se considera el nodo crucial de la red eléctrica, cómo se corresponde con la jerarquía de 110/35/10kV, qué especificaciones son significativas en este nivel y cuál es su precio, así como cómo los clientes de economías emergentes deberían lidiar con ello.
Un transformador de 35kV se refiere a un transformador sumergido en aceite que ayuda a disminuir el alto voltaje típicamente clasificado en 110kV o 66kV a un nivel de interruptores de alrededor de 10kV e incluso más bajo al nivel de clasificación del transformador de 400V. El transformador que se utiliza generalmente tiene una clasificación que varía entre 3,150 kVA y 31,500 kVA, mientras que la eficiencia de la unidad es mayor que 99%. La adquisición del transformador debe basarse en los resultados de las pruebas, la influencia de un fabricante en las pérdidas del transformador, así como el nivel de servicio de la maquinaria de energía eléctrica, en lugar de solo en el costo de compra.
El papel del nivel de voltaje de 35kV
La distribución de energía se lleva a cabo en capas porque no es rentable transmitir a bajo voltaje a largas distancias. El nivel de 35 kV juega un papel importante en muchas redes alrededor del mundo, situándose entre la distribución de 10-20 kV y los niveles de transmisión de 110-220 kV. En China y en muchas regiones de Asia, África, Oriente Medio y partes de Europa, 35 kV es el voltaje estándar de subtransmisión, lo que permite la recolección de energía de subestaciones de 110 kV y el suministro de energía a alimentadores de 10 kV, plantas de fabricación y grandes consumidores de energía.
Pero, ¿por qué 35 kV y no un voltaje más alto o más bajo? Este es el nivel que es óptimo para las empresas de servicios públicos porque son capaces de servir a varios cientos de kilómetros cuadrados utilizando un número práctico de subestaciones y líneas aéreas. A 10 kV, la distribución de electricidad desde subestaciones de 110 kV llevaría a aproximadamente tres veces la de las corrientes de alimentadores, lo que requeriría cantidades significativamente mayores de cobre o aluminio utilizados. Prácticamente en todas partes, aumentar el voltaje a 110 kV aumentaría considerablemente los gastos relacionados con las subestaciones.
Qué hace que un transformador de 35kV sea un nodo clave
Los transformadores son nodos donde el voltaje, la protección y el control cambian simultáneamente. En la subestación eléctrica, el transformador sumergido en aceite de 35kV es la unidad más costosa, ya que es la que suministra electricidad a todos los alimentadores secundarios. Por lo tanto, si falla, el suministro de electricidad a todos los usuarios de electricidad también se perderá (hasta 100 subestaciones de distribución o miles de usuarios). Si el transformador está sobredimensionado, la empresa de servicios públicos incurrirá en costos de pérdidas en vacío durante muchos años. Si el transformador está subdimensionado, los puntos calientes dañarán el aislamiento.
Al ser un transformador de 35kV, también es un nodo de control. Esto se debe a la presencia de cambiadores de tomas bajo carga que estabilizan el voltaje a 10kV durante las oscilaciones de carga. Si el transformador no puede mantener eso, el voltaje fluctuaría de acuerdo con la curva de carga durante todo el día. El transformador de 35kV también es un nodo económico y el nivel de pérdidas, la impedancia y la posición de la toma influirán en los costos operativos y la confiabilidad de toda la red.
Tipos de transformadores sumergidos en aceite de 35kV
| Tipo | Clasificación típica | Cambiador de tomas | Uso típico |
|---|---|---|---|
| Tipo de distribución (35/0.4kV) | 315–2,500 kVA | Fuera de circuito | Suministro de aldeas y pequeños pueblos |
| Tipo de potencia (35/10.5kV) | 3,150–31,500 kVA | Bajo carga o fuera de circuito | Reducción de subestación |
| Tipo elevador (generador) | 5,000–50,000 kVA | Fuera de circuito típicamente | Plantas térmicas pequeñas y renovables |
| Tipo de tres devanados (35/10/6kV) | 6,300–31,500 kVA | Bajo carga en HV | Subestaciones de voltaje mixto |
| Rural / monofásico | 50–200 kVA | Ninguno | Distribución monofásica remota |
La mayoría de los clientes adquirirán sistemas de distribución pequeños (35/0.4kV) responsables de suministrar energía a las aldeas locales o sistemas de energía más grandes (35/10.5kV o 35/10kV) que se encargan de fábricas y subestaciones. Los dispositivos de 6.3–20 MVA son los más utilizados, lo suficientemente grandes para proporcionar buena calidad de ingeniería y lo suficientemente asequibles en cuanto a costos de envío e instalación.
Especificaciones y estándares clave
Todos los transformadores de 35kV se construyen y prueban según la serie IEC 60076 (o el paralelo IEEE C57.12.00 en las Américas). Los números que importan a 35kV:
| Parámetro | Valor típico | Notas |
|---|---|---|
| Resistencia a impulso de rayo | 170 kVp | IEC 60076-3, clase LI de 35kV |
| Resistencia a la frecuencia de potencia | 70 kV | Prueba de AC aplicada según IEC 60076-3 |
| Impedancia de cortocircuito | 7–8% | IEC 60076-5 |
| Aumento de temperatura del devanado | 65K promedio | A 40°C ambiente |
| Grupo vectorial | YNd11 (35/10.5kV) | O Dyn11 para 35/0.4kV |
| Eficiencia | 99.0–99.5% | Depende de la clasificación y el nivel de pérdidas |
| Refrigeración | ONAN / ONAF | IEC 60076-2 |
| Niveles de pérdidas | GB/T 6451 o clase IEC | Se aplican grados de eficiencia GB 20052 |
A 35 kV, es importante considerar la impedancia con cuidado. Una impedancia más baja (7%) reduce la caída de voltaje pero aumenta la corriente de cortocircuito, lo que ejerce presión sobre el equipo de conmutación y sobre los devanados del transformador mismo. Una impedancia más alta (8-9%) reduce la corriente de falla pero causa una regulación de voltaje deficiente. Los valores suficientes se determinan de acuerdo con el nivel de falla de la red y la clasificación del equipo de conmutación de la subestación, por lo que se debe tener cuidado y realizar una coordinación adecuada de todos los esquemas estudiados antes de cambiar la impedancia.
Dimensionamiento y características de carga
Para dimensionar un transformador de 35kV, debe haber una consideración cuidadosa de 3 parámetros de carga:
- Demanda máxima – esta es la carga coincidente más alta de kVA derivada de encuestas de carga o lecturas de los medidores; el transformador debe ser capaz de gestionar esta carga indefinidamente en modo de enfriamiento base.
- Factor de carga promedio – este se calcula teniendo en cuenta el promedio anual y dividiéndolo por la carga máxima. Si el factor de carga es alto (alrededor de 0.7 y superior), se fomentan los diseños de baja pérdida en vacío; si el factor de carga es bajo, se prefiere un costo inicial bajo.
- Margen de crecimiento – generalmente, el factor es de aproximadamente 15-25% de la vida útil planificada, pero solo si el plan de red lo permite. Un transformador sobredimensionado no generará ningún beneficio.
Como uno de los ejemplos de utilización de subestaciones de 35/10.5 kV, se puede decir que el transformador con una potencia de 10 MVA será suficiente para una localidad con aproximadamente 8000-15000 familias o mini-industria.
| Clasificación (35/10.5kV) | Carga típica servida | Aplicación típica |
|---|---|---|
| 15 MVA | 2,000–5,000 hogares o pequeña industria | Subestaciones rurales, plantas pequeñas |
| 3 MVA | 4,000–8,000 hogares | Subestaciones de municipio |
| 10 MVA | 8,000–15,000 hogares / industria mediana | Subestaciones distritales |
| 20 MVA | 15,000–30,000 hogares | Distribución urbana |
| 5 MVA | 30,000+ hogares / complejo industrial grande | Subestaciones principales |
El factor de carga y los escenarios de crecimiento afectan estos números, y son una herramienta de planificación, no un reemplazo para un estudio de carga.
Un transformador de 31.5 MVA se utiliza en una gran área urbana o instalación industrial. Un transformador de distribución típico a 35/0.4 kV tiene una capacidad de 400 a 1,000 kVA dependiendo del área, en consistencia con la teoría de estudios de carga ya considerados un nivel por debajo.
Posición en la jerarquía de la red
El lugar del transformador de 35 kV en la pila de la red se ve mejor como una tabla:
| Capa de voltaje | Equipos típicos | Función |
|---|---|---|
| Transmisión 220/110kV | Transformadores de potencia grandes 63–400 MVA | Transferencia a granel a larga distancia |
| Sub-transmisión 110/35kV | Transformadores de potencia 20–63 MVA | Alimenta la red regional de 35 kV |
| Distribución 35/10kV | Transformadores sumergidos en aceite 3.15–31.5 MVA | Reduce para alimentadores de 10 kV |
| 10/0.4kV último tramo | Transformadores de distribución 50–2,000 kVA | Último paso a voltaje del consumidor |
El nivel de voltaje de 35/10 kV actúa como el nodo “troncal” de la distribución. También es el punto en el que la red se vuelve radial, donde las zonas de protección se reducen, y donde la regulación de voltaje encuentra su última oportunidad antes de que los alimentadores suministren las cargas a los transformadores exteriores. Esta es también la razón por la cual una falla del transformador de 35 kV reverbera tan ampliamente; este es el tronco, y todo lo que sigue pierde el suministro.
| Clasificación | Pérdida en vacío (indicativa) | Pérdida de carga (indicativa) | Eficiencia a plena carga |
|---|---|---|---|
| 15 MVA | ~4.5 kW | ~20 kW | >99.2% |
| 10 MVA | ~10 kW | ~50 kW | >99.4% |
| 20 MVA | ~18 kW | ~95 kW | >99.4% |
| 5 MVA | ~22 kW | ~140 kW | >99.5% |
Marcas líderes y rangos de precios
El mercado de 35 kV es atendido por todas las principales casas de transformadores. Precios FOB representativos para transformadores de potencia 35/10.5kV:
| Marca | Origen | Precio de 3.15 MVA | Precio de 10 MVA | Precio de 31.5 MVA |
|---|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Japón/Global | $38,000–$52,000 | $55,000–$82,000 | $130,000–$200,000 |
| ABB | Suiza/Global | $35,000–$48,000 | $52,000–$78,000 | $130,000–$190,000 |
| Siemens Energy | Alemania/Global | $34,000–$47,000 | $50,000–$75,000 | $125,000–$185,000 |
| Schneider Electric | Francia/Global | $32,000–$44,000 | $48,000–$72,000 | $120,000–$175,000 |
| Toshiba / Hyundai | Japón/Corea | $30,000–$42,000 | $46,000–$68,000 | $110,000–$170,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | $18,000–$30,000 | $28,000–$48,000 | $65,000–$110,000 |
Las disparidades en los precios son un reflejo de la profundidad de la ingeniería, la capacidad de monitoreo del servicio de campo y el riesgo de marca de cada fabricante significativo y no representan un simple margen de beneficio. Los fabricantes más prestigiosos llevan consigo décadas de evidencia de fallos, numerosas pruebas de tipo y servicios de repuestos a nivel mundial. Las empresas de servicios públicos que dependen de instalaciones críticas, pero singulares, pueden aceptar la prima. Con instalaciones de alto volumen donde el servicio local está disponible, las entidades de China ofrecen el equivalente a las pruebas IEC 60076 a precios inferiores a 40-50%.
Jiangsu Subian Electric Power es una empresa de China que vende transformadores sumergidos en aceite con voltajes de 35kV desde 3.15 MVA hasta 31.5 MVA, incluyendo modelos 35/10.5kV, 35/0.4kV y transformadores de tres devanados de acuerdo con IEC 60076. Subian ha llevado sus productos a Asia, África, Oriente Medio y América del Sur para apoyar a las empresas de servicios públicos y contratistas EPC con niveles de pérdidas tanto estándar como personalizados junto con los respectivos informes de pruebas de aceptación en fábrica. Subian es una buena opción para los planificadores de servicios públicos que necesitan sus transformadores de 35kV dentro del presupuesto y de acuerdo con las normas IEC. Los detalles del producto y los certificados están en subian-electric.com.
Cómo obtener un transformador de 35kV
- Asegúrese de que la especificación elimine la ambigüedad. Proporcione detalles sobre la relación de voltaje, la clasificación, la impedancia, el grupo vectorial, la clase de pérdidas, el nivel de impulso, el rango de tomas, el método de enfriamiento y la norma aplicable (IEC o IEEE). La ambigüedad apunta a la oferta más barata que cumple en lugar de la mejor.
- Analice el costo total de propiedad. Tenga en cuenta el impacto de las pérdidas en vacío y en carga en su tarifa y calcule para un período de 20 a 25 años. La diferencia de $10 kW en pérdidas en vacío se traduce en $7,000–8,700 anualmente basado en $0.08 a $0.1 por kWh.
- Proporcione resultados de pruebas. Solicite el informe de pruebas de rutina por unidad y el informe de pruebas de tipo para el diseño (incluyendo aumento de temperatura, impulso de rayo, resistencia a cortocircuitos).
- Incluya inspecciones de terceros. En caso de pedidos de exportación, la auditoría de fábrica o la prueba de testigo en un punto crítico de control se valora en 1-2% del pedido y evita sorpresas de calidad.
- Discuta la logística. La unidad de 10 MVA pesa alrededor de 25 toneladas y puede ser transportada en un camión estándar, mientras que la unidad de 31.5 MVA pesa aproximadamente 50-60 toneladas y requiere un estudio de ruta y planificación de grúas.
- Considere repuestos y servicio. Hable sobre el relé Buchholz, juntas, respiraderos y contactos de repuesto para el cambiador de tomas durante el proceso de pedido junto con el compromiso de servicio del fabricante.
Operación y cuidado
La vida útil de un transformador de 35kV se monitorea a través de las siguientes cuatro medidas de mantenimiento rutinarias:
- Análisis de aceite anual: DGA de acuerdo con IEC 60599 y resistencia dieléctrica de acuerdo con IEC 60422 (>50 kV/2.5mm para esta clase en operación) incluyendo agua, acidez y evaluación de tan delta.
- Inspección visual trimestral: Verificar el gel de sílice del respiradero, el nivel de aceite, fugas, corrosión y gestión de la vegetación del radiador y el tanque.
- Servicio del cambiador de tomas: Cumplir con el programa de fabricación del OLTC. En la mayoría de los casos, debería estar alrededor de 50,000-100,000 para tipos de resistores sumergidos en aceite en operación.
- Monitoreo de temperatura: Las temperaturas del aceite superior y del devanado deben seguirse de acuerdo con las curvas de carga IEC 60076-7 y en caso de monitoreo de puntos calientes.
La implementación de estas rutinas resulta ser capaz de asegurar que la vida útil de diseño de un transformador aumente de 25 años a más de 30 años. La mayoría de los casos de fallas de transformadores en servicio pueden explicarse por pequeños cambios que pasan desapercibidos: aumento de la relación de gas, disminución de la resistencia dieléctrica del aceite o sellos con fugas.
Preguntas Frecuentes
¿Cuánto cuesta un transformador de 35kV?
Las unidades de potencia de 35/10.5kV cuestan en promedio $18,000–$30,000 (3.15 MVA), $28,000–$48,000 (10 MVA) y $65,000–$110,000 (31.5 MVA) según el proveedor de productos fabricados en China. Los precios de los productos de fabricantes europeos y japoneses tienden a ser 50–80% más altos para la misma clasificación. Además, el costo de las unidades varía según las pérdidas, el tipo de cambiador de tomas o accesorios.
¿Cuál es la impedancia estándar para un transformador de 35/10.5kV?
Típicamente 7-8%. El valor preciso depende del nivel de cortocircuito de la red y de la capacidad nominal del equipo de conmutación. El valor estándar es 7.5% para transformadores de distribución y 8% para transformadores de mayor capacidad, más/menos 7.5% según IEC 60076-1.
¿Se puede utilizar un transformador de 35kV para sistemas de 33kV?
No tal como está. El diseño para alternadores de 35kV casi siempre puede ser re-tapado o rediseñado para un nivel de 33kV, pero hay diferencias en los niveles de aislamiento, pruebas de impulso y rangos de toma. 33kV es la norma en las naciones de la Commonwealth y el Golfo, mientras que 35kV es la norma en China y gran parte de Europa. Siempre especifique el voltaje de su sistema y obtenga el diseño más apropiado.
¿Cómo sé si necesito un cambiador de tomas bajo carga?
Si utiliza un voltaje de bus de 35kV o 10kV y experimenta alrededor de ±2.5% durante las operaciones normales —generalmente en el caso de alimentadores largos, cargas industriales cambiantes y redes débiles— y tiene que pagar extra por tener tales barras de bus, en ese caso, significa que el OLTC puede ser útil. En casos donde no hay fluctuaciones en la corriente o carga, es suficiente optar por tomas fijas con ±2 × 2.5%.
¿Cuál es la vida útil típica de un transformador de 35kV?
El mantenimiento rutinario varía de 25 a 35 años. La edad del aislamiento se ve influenciada por la temperatura del punto caliente (cada 6K por encima del diseño reduce aproximadamente la vida del papel a la mitad), la calidad del aceite y la forma de carga. Los dos factores principales que afectan la esperanza de vida son el DGA anual y el mantenimiento de la carga de acuerdo con las pautas IEC 60076-7.
Referencias
- IEC 60076-1: Transformadores de potencia – General — Clasificaciones, derivaciones, aumento de temperatura y requisitos de prueba para transformadores de potencia.
- IEC 60076-3: Niveles de aislamiento, pruebas dieléctricas y distancias de separación en aire. — Define el nivel de impulso de 170 kVp para la clase de 35kV.
- IEC 60076-5: Capacidad para soportar cortocircuitos — Verificación del diseño de cortocircuito para transformadores de potencia de 35kV.
- IEC 61936-1: Instalaciones eléctricas que superan 1 kV a.c. — Requisitos de instalación para equipos de subestación de 35kV.
- IEEE C57.12.00: Transformadores de distribución y potencia sumergidos en líquido — Requisitos de América del Norte equivalentes a IEC 60076.
- Portafolio de transformadores de Siemens Energy — Referencia para ofertas de transformadores de 35kV de grado utilitario.
- Sitio oficial de Jiangsu Subian Electric Power — Gama de productos de transformadores sumergidos en aceite de 35kV y detalles de certificación.
Conclusión
El transformador sumergido en aceite de 35kV representa el núcleo de la red. Es el activo donde se toman decisiones sobre costos, protección y voltaje, y donde las averías afectan a miles de clientes. Las especificaciones correctas respecto a un transformador como su clasificación, clase de pérdidas e impedancia se convierten en la elección de ingeniería más importante para un distribuidor.
Puntos principales:
- 35kV representa el punto de transición entre las líneas de transmisión y la distribución final de costos y opera dentro de un área de cientos de kilómetros.
- A este nivel, las especificaciones estándar incluyen 170 kVp de impulso, 7-8% de impedancia, 65K de elevación.
- El precio aproximado de una unidad china es de $18000-110000 FOB dependiendo de su clase.
Si está adquiriendo transformadores de 35kV para una subestación o proyecto industrial, Jiangsu Subian Electric Power proporciona unidades sumergidas en aceite certificadas por IEC 60076 en el rango de 3.15–31.5 MVA a precios amigables para la exportación. Revise la gama y solicite certificados de prueba en subian-electric.com.