Informe del Mercado Global de Transformadores de Estado Sólido de Media Tensión (SST) – Cobertura Completa de la Tensión Primaria

1. Antecedentes y Alcance

Este informe proporciona una revisión sistemática de los requisitos de voltaje del lado primario (lado de la red) para los Transformadores de Estado Sólido (SST, por sus siglas en inglés), también denominados Transformadores Electrónicos de Potencia (PET), en los mercados globales fuera de China.

Definiciones Clave:

• Voltaje Primario / del Lado de la Red: El nivel de distribución de media tensión al que se conecta el SST. Esta es la base fundamental para el diseño de aislamiento, el número de módulos de potencia conectados en serie, la selección de descargadores, el cumplimiento de EMC y la certificación de conexión a la red.

• Voltaje Nominal (U): El voltaje nominal del sistema (por ejemplo, 11 kV, 13,8 kV).

• Voltaje Máximo para el Equipo (Um): El voltaje de referencia para el diseño de aislamiento, típicamente entre un 10 % y un 20 % por encima del voltaje nominal.

• Nivel Básico de Impulso de Rayo (BIL): La capacidad de soportar del aislamiento frente a sobretensiones por rayo.

• Voltaje de Soporte a Frecuencia de Red: El voltaje de soporte de corta duración a frecuencia de red, aplicado a través del aislamiento y a través de los contactos abiertos.

Definición Estándar de Media Tensión:

• Sistema IEC (IEC 60038 / IEC 60076 / IEC 62271): La media tensión se define de 1 kV a 35 kV. La IEC 60038 Edición 7.1 (2009 + AMD1:2021), Tabla 3, divide los sistemas trifásicos de 1 kV a 35 kV en la Serie I (uso general, 50/60 Hz) y la Serie II (específica de América del Norte, 60 Hz). Los valores entre paréntesis (por ejemplo, 15 kV, 17,5 kV) se designan como "no preferidos" y no se recomiendan para nuevos sistemas.

• Sistema IEEE/ANSI (ANSI C84.1 / IEEE C57 / IEEE C37): La media tensión se define generalmente como >1 kV y <100 kV, con voltajes de distribución que suelen oscilar entre 2,4 kV y 34,5 kV. Los equipos se clasifican por Clase de Voltaje en lugar de por voltaje nominal para fines de aislamiento.

Panorama de Frecuencia de la Red:

• Aproximadamente el 70 % de los países/regiones utilizan 50 Hz (dominado por IEC).

• Aproximadamente el 30 % utiliza 60 Hz (dominado por IEEE, incluyendo América del Norte, América Latina y partes de Asia).

• Algunos países tienen operación dual de 50/60 Hz (Japón, algunas naciones del Caribe).

Serie RW Transformadores de Estado Sólido

2. Panorama Global de Voltaje Primario – Cobertura Completa de 13 Niveles

Combinando los estándares IEC 60038 y ANSI C84.1/IEEE, los voltajes primarios de media tensión globales se pueden resumir en los siguientes 13 niveles clave. Para que los SST logren una "cobertura global completa", cada plataforma de aislamiento debe abordarse individualmente.

Nivel 1: 3,3 kV / 3,6 kV (Gama Baja IEC)

• Um = 3,6 kV, BIL ≈ 20–40 kV.

• Aplicaciones: Redes de distribución industrial en algunos países, minería, grandes plantas industriales. Clasificado en la IEC 60038 como "no recomendado para nuevos sistemas de distribución pública".

• Regiones: Instalaciones históricas en Austria, Bélgica y otros países europeos; partes de Europa del Este y sistemas de influencia rusa. La demanda de SST es pequeña; puede absorberse en la plataforma de 7,2 kV mediante compatibilidad descendente.

Nivel 2: 6,6 kV / 7,2 kV (Clase IEC de 7,2 kV)

• Um = 7,2 kV, BIL = 60 kV, Soporte a frecuencia de red = 20 kV.

• Frecuencia: Coexistencia de 50/60 Hz.

• Regiones: Japón (primario de Japón Oriental), Corea del Sur (industrial), Australia, Nueva Zelanda, partes de Europa del Este (6 kV ruso), Sudáfrica (histórico).

• Nota: En la IEC 60038, 6,6 kV corresponde a Um = 7,2 kV y es un nivel de "uso general".

Nivel 3: 10 kV / 11 kV (Clase IEC de 12 kV)

• Um = 12 kV, BIL = 75 kV, Soporte a frecuencia de red = 28 kV.

• Frecuencia: Principalmente 50 Hz.

• Regiones: Núcleo del Reino Unido y los antiguos sistemas de la Commonwealth británica/colonial; uno de los niveles más utilizados a nivel mundial: India, Australia, Nueva Zelanda, Sudáfrica, Egipto, Kenia, Nigeria, Emiratos Árabes Unidos (DEWA/ADDC), Catar, Kuwait, Omán, Bangladés, Nepal, Malasia, Sri Lanka, etc.

• Nota: La norma IEC 60038 incluye tanto 10 kV (sistema europeo continental antiguo) como 11 kV (sistema británico). Los equipos están diseñados uniformemente para la plataforma de Um = 12 kV / BIL = 75 kV.

Nivel 4: 12,47 kV / 13,2 kV / 13,8 kV (Clase IEEE de 15 kV)

• Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV opcional en algunos casos), Soporte a frecuencia industrial ≈ 36 kV.

• Frecuencia: 60 Hz.

• Regiones: Columna vertebral absoluta de América del Norte (EE. UU., Canadá), que cubre >60% de la carga de media tensión de EE. UU.; América Latina (Brasil, México, Argentina, Chile); Filipinas.

• Nota: 12,47 / 13,2 / 13,8 kV pertenecen a la misma "Clase de Aislamiento de 15 kV" según ANSI C84.1. El aislamiento, los descargadores y los cables se seleccionan por Clase, no por la tensión nominal. Esta es una regla universal en la distribución norteamericana.

Nivel 5: 15 kV (Sistema IEC, Valor No Preferente) – [Adición Clave]

• Um = 17,5 kV, BIL = 95 kV, Soporte a frecuencia industrial = 38 kV (clasificación del cable: 8,7/15 kV).

• Frecuencia: 50 Hz.

• Referencia estándar: En la Serie I de la IEC 60038, (17,5) — (15) se muestra entre paréntesis como un valor "no preferente", pero sigue siendo una tensión reconocida.

• Regiones de Aplicación Principal – África Oriental (Cuerno de África):

  • Etiopía: La columna vertebral de la distribución de media tensión consta de niveles duales de 15 kV y 33 kV. La red de distribución es alimentada por transformadores reductores de 132/33 kV, 132/15 kV y 45/15 kV. Ethiopian Electric Power (EEP) ha iniciado el reemplazo masivo de aparamenta de 15 kV y 33 kV en múltiples subestaciones (por ejemplo, Haramaya II, Chellenko II, Woliso, etc., a 132/33/15 kV). La mayoría de las líneas de alimentación en Adís Abeba operan a 15 kV.

  • Kenia: Las redes históricas incluyen 15 kV junto con sistemas de 11/33 kV.

  • Tanzania, Uganda y otros miembros de la Comunidad de África Oriental: Existen algunas aplicaciones de 15 kV debido a la coordinación regional de la red.

  • Turquía: La media tensión incluye 15 kV (junto con 6,3 / 11 / 20 / 34,5 kV).

  • África del Norte / Medio Oriente: Algunos sistemas heredados más antiguos en países individuales operan a 15 kV.

• ⚠️ Advertencia Crítica de Diseño (Error Común para Exportadores de SST):

  • La IEC de 15 kV tiene Um = 17,5 kV, mientras que la "Clase de 15 kV" de IEEE de 13,8 kV tiene Um ≈ 15 kV. Aunque ambas tienen BIL = 95 kV, la tensión máxima para el equipo difiere.

  • La tensión residual del descargador, las distancias de fuga, el equilibrio de tensión del módulo de potencia y el aislamiento del cable deben calcularse para 17,5 kV.

  • No utilice la plataforma de hardware IEEE de 15 kV para aplicaciones IEC de 15 kV; el margen de aislamiento será insuficiente, lo que provocará riesgos de ruptura a largo plazo. Por el contrario, el uso de la plataforma IEC de 17,5 kV en América del Norte resulta en un costo excesivo.

  • Por lo tanto, la IEC de 15 kV (Um = 17,5 kV) y la Clase IEEE de 15 kV (Um ≈ 15 kV) deben tratarse como dos plataformas de aislamiento completamente independientes.

Nivel 6: 20 kV / 24 kV (Clase IEC de 24 kV)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Soporte a frecuencia industrial = 50 kV.

• Frecuencia: Principalmente 50 Hz.

• Regiones: Distribución estándar de Europa continental: Alemania, Francia, Países Bajos, Bélgica, Austria, Suiza, Dinamarca, Noruega, Suecia, Finlandia, España, Portugal, Italia; también partes de América Latina (Brasil tiene una distribución mixta de 20 kV).

• Nota: La IEC 60038 incluye tanto 20 kV como 24 kV (20 kV como nominal, 24 kV como Um). Los equipos están diseñados uniformemente para Um = 24 kV / BIL = 125 kV. Francia utiliza tanto 20 kV como 33 kV.

Nivel 7: 22 kV (Estándar De Facto Regional)

• Um = 24 kV, BIL = 125 kV, Soporte a frecuencia industrial = 50 kV.

• Frecuencia: 50 Hz.

• Regiones: Indonesia, Tailandia, Vietnam (países del sudeste asiático con sistema IEC); Corea del Sur también incluye 22 kV (la tensión de distribución estándar de KEPCO es de 22.900 V, es decir, 22,9 kV, 60 Hz); el oeste de Japón utiliza 22 kV.

• ⚠️ Recordatorio crítico: 22 kV no está en la secuencia preferida de IEC 60038; es un voltaje de deriva operativa regional. Sin embargo, el equipo debe diseñarse para Um = 24 kV, BIL = 125 kV. La falta de coincidencia causará fallos en las pruebas de rayos/impulso en el sitio en el sudeste asiático. IEC 60038 señala que 22,9 kV (con Um = 24,2 o 25,8 kV) se utiliza en "algunos países", haciendo referencia específicamente a Corea del Sur.

Serie RW Transformador de estado sólido híbrido CA-CC

Nivel 8: 24,94 kV / 26,4 kV (Clase IEEE 25 kV)

• Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV opcional), Tensión soportada a frecuencia industrial ≈ 50 kV.

• Frecuencia: 60 Hz.

• Regiones: América del Norte (suburbios de EE. UU., alimentadores rurales largos de carga ligera, correspondientes a 24,94 kV GrdY/14,4 kV); partes de América Latina.

• Nota: Clasificado como "Clase 25 kV" según ANSI C84.1. Los niveles de aislamiento son cercanos a IEC 24 kV, pero las tolerancias de voltaje del sistema difieren.

Nivel 9: 30 kV / 33 kV (Clase IEC 36 kV)

• Um = 36 kV, BIL = 170 kV, Tensión soportada a frecuencia industrial = 70 kV.

• Frecuencia: 50 Hz.

• Regiones: Reino Unido continental (distribución primaria de 33 kV), India (33 kV AT), Sudáfrica (Eskom), Egipto, Kenia, Nigeria y otras naciones africanas, Australia, Nueva Zelanda (33 kV), Golfo de Oriente Medio (EAU, Arabia Saudita, Qatar, etc.), Etiopía (33 kV junto con 15 kV como red troncal).

• Nota: IEC 60038 enumera 30 kV y 33 kV en paralelo; ambos están diseñados para Um = 36 kV / BIL = 170 kV. Algunos países africanos clasifican 33 kV como "alta tensión" a efectos tarifarios.

Nivel 10: 34,5 kV (Clase IEEE 35 kV)

• Um = 38 kV (o clase 36 kV), BIL = 200 kV (150 kV opcional), Tensión soportada a frecuencia industrial = 80 kV.

• Frecuencia: 60 Hz.

• Regiones: América del Norte (EE. UU., Canadá – alimentadores rurales largos, interconexión de energías renovables), Brasil, México, otros latinoamericanos (distribución secundaria/subtransmisión), Filipinas (34,5 kV).

• Nota: Clasificado como "Clase 35 kV" según ANSI C84.1. Este es el voltaje principal para la interconexión de plantas de energía renovable en América del Norte.

Nivel 11: 35 kV (IEC, algunos países)

• Um = 40,5 kV, BIL = 200 kV (145 kV de nivel inferior en algunos casos).

• Frecuencia: 50 Hz.

• Regiones: Francia, partes del norte de Europa, Europa del Este, sistemas de influencia rusa, Vietnam (35 kV), partes de América del Sur.

• Nota: Este es el extremo superior de la Serie I de IEC 60038. Aunque numéricamente cercano a IEEE 34,5 kV, el aislamiento (Um = 40,5 frente a 38 kV) y la frecuencia (50 frente a 60 Hz) difieren. Los SST deben adaptarse por separado.

Nivel 12: 45 kV / 66 kV (Transición distribución-transmisión)

• Um = 52 kV / 72,5 kV, BIL ≈ 250 kV / 325 kV respectivamente.

• Regiones: Etiopía (45 kV, 66 kV subtransmisión), Reino Unido (66 kV), Sudáfrica (66 kV), Nueva Zelanda (66 kV), América del Norte (69 kV).

• Nota: Estos se acercan al límite MT/AT. Si se aplican SST aquí, el diseño debe seguir la clase de 72,5 kV. Este informe se centra principalmente en voltajes de hasta 38 kV.

Nivel 13: Retorno por Tierra de Cable Único (SWER) – Caso especial

• IEC 60038 Tabla 7: Um = 24 kV corresponde a voltajes del sistema de 13,9 kV / nominal 12,7 kV; Um = 36 kV corresponde a 20,8 kV / 19,1 kV. Utilizado principalmente en áreas remotas de Australia y Nueva Zelanda (SWER de 12,7 kV / 19,1 kV).

• Las aplicaciones de SST son limitadas, pero el aislamiento todavía se ancla a las clases de 24 kV / 36 kV.

3. Desglose por sistema estándar

3.1 Sistema estándar IEC (Serie I, predominantemente 50 Hz)

Secuencia de voltaje nominal preferida de la Serie I de IEC 60038 (1–35 kV):

3.3 — 6.6 — 11 — (15) — 22 — 33 — (35) kV

Secuencia Um correspondiente:

3.6 — 7.2 — 12 — (17.5) — 24 — 36 — (40.5) kV

Agrupaciones Regionales:

• Europa Continental (sistema de 20/24 kV): Alemania, Francia, Países Bajos, países nórdicos, etc. Aislamiento: Um = 24 kV / BIL = 125 kV.

• Sistema del Reino Unido & la Commonwealth (secuencia de 11/33 kV): Reino Unido, India, Australia/Nueva Zelanda, Sudáfrica, Oriente Medio, la mayor parte del Sudeste Asiático. Corresponde a Um = 12 kV (BIL 75) y Um = 36 kV (BIL 170).

• Sudeste Asiático 22 kV Mixto: Indonesia, Tailandia, Vietnam – anclado a la plataforma de Um = 24 kV.

• Sistema de 15 kV de África Oriental (Enfoque Clave): Etiopía (red troncal de 15+33 kV), Kenia, Tanzania, etc. Los 15 kV operan como una plataforma independiente en Um = 17.5 kV / BIL = 95 kV. Esta es la aplicación en el mundo real más significativa del valor no preferido de 15 kV de la IEC a nivel mundial.

Serie RW Transformador de Estado Sólido SST de 40.5kV

3.2 Sistema Estándar IEEE/ANSI (Serie II / C84.1, 60 Hz)

Los voltajes de América del Norte derivan de la progresión de 120 V × √3 (2.4 → 4.16 → 12.47 → 13.8 → 24.94 → 34.5 kV), fundamentalmente diferente de la base europea de 220 V (3.3/6.6/11 kV).

Clase de Aislamiento (Clase de Voltaje) según ANSI C84.1 + IEEE C57.12.00:

• Clase de 5 kV: Cubre 4.16 kV, Um ≈ 4.76 kV, BIL = 60 kV.

• Clase de 15 kV: Cubre 12.47 / 13.2 / 13.8 kV, Um ≈ 15 kV, BIL = 95 kV (110 kV opcional).

• Clase de 25 kV: Cubre 24.94 kV, Um = 27 kV, BIL = 125 kV (150 kV opcional).

• Clase de 35 kV: Cubre 34.5 kV, Um = 38 kV, BIL = 200 kV (150 kV opcional).

Principales Regiones:

• Núcleo de América del Norte (13.8 kV + 34.5 kV): EE. UU., Canadá.

• América Latina (13.8/34.5 kV): Brasil, México, Argentina, Chile, etc.

• Asia-Pacífico 60 Hz (Sistema IEEE): Filipinas (13.8/23/34.5 kV), Corea del Sur (22.9/34.5 kV, 60 Hz), Arabia Saudita (partes a 13.8 kV, 60 Hz para petróleo/gas/municipal).

⚠️ Recordatorio Crítico: La "Clase de 15 kV" de América del Norte es un concepto de clase de aislamiento, donde 12.47/13.2/13.8 kV comparten la misma plataforma de aislamiento. Esto no debe confundirse con los 15 kV de la IEC (Um = 17.5 kV).

3.3 Casos Mixtos y Especiales

• Japón (Coexistencia de 50/60 Hz – la única división de frecuencia Este-Oeste del mundo):

  • Japón Oriental (Tokio, Hokkaido, etc., 50 Hz): primario de 6.6 kV, con 22 kV en el centro de Tokio y para grandes usuarios (SST requiere plataforma de 22 kV).

  • Japón Occidental (Kansai, Kyushu, etc., 60 Hz): primario de 22 kV.

  • Rango de media tensión: 6.6 kV a 66 kV; red troncal de distribución aprox. 740,000 km. Interconectado a través de 4 estaciones convertidoras de frecuencia HVDC.

  • Estrategia SST: Requiere plataformas de 7.2 kV y 24 kV + conmutación de firmware de doble frecuencia de 50/60 Hz.

• Corea del Sur (60 Hz, Híbrido de Voltaje IEC + Frecuencia IEEE):

  • Voltaje de distribución estándar: 22,900 V (22.9 kV); también tiene 6.6 kV y 34.5 kV.

  • Los 22.9 kV se clasifican bajo la IEC como cercanos a la clase de 24 kV (Um = 24.2/25.8 kV), BIL = 125 kV.

  • Estrategia SST: Plataforma de 24 kV + 60 Hz; debe cumplir con las especificaciones técnicas de conexión a la red de KEPCO (especialmente protección anti-isla, armónicos, inyección de CC <0.5%, factor de potencia >90%).

• Sudáfrica, Australia: Nominalmente IEC, pero tienen múltiples voltajes coexistentes (11/22/33 kV), y Australia tiene SWER de 12.7/19.1 kV.

4. Aislamiento Primario SST y Mapeo de Parámetros Clave

Los SST emplean conversión electrónica de potencia (CA-CC-CA + transformador de aislamiento de alta frecuencia). La coordinación de aislamiento principal debe cumplir con ambos requisitos: (a) las normas de tensión soportada del lado de la red, y (b) la sobretensión de apagado y el equilibrio de tensión internos de los módulos IGBT/MOSFET/SiC.

Mapeo clave de aislamiento: