Análisis de Normas y Rendimiento Estructural de equipos de distribución combinados
Normas y Clasificación de Dispositivos Combinados de Distribución de Energía
Existe una variedad relativamente grande de dispositivos combinados de distribución de energía. Los más comúnmente utilizados incluyen subestaciones empaquetadas, transformadores tipo caja, subestaciones preensambladas, transformadores combinados, subestaciones tipo caja europeas y subestaciones tipo caja americanas.
Normas Relevantes para Dispositivos Combinados de Distribución de Energía
Las normas relevantes actualmente vigentes en China para los dispositivos combinados de distribución de energía incluyen principalmente: la norma nacional GB/T 17467-1998 Subestaciones Prefabricadas de Alta y Baja Tensión, la norma de la industria mecánica JB/T 10217-2000 Transformadores Combinados, y la norma de pedido de la industria eléctrica DL/T 537-2002 Guía de Selección para Subestaciones Prefabricadas de Alta y Baja Tensión Tipo Caja.
En 1995, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) publicó la norma IEC1330-1995 Subestaciones Prefabricadas de Alta y Baja Tensión. La norma nacional GB/T 17467-1998 Subestaciones Prefabricadas de Alta y Baja Tensión es equivalente a la norma IEC1330. En esta norma, se define una subestación prefabricada como "equipo que ha pasado las pruebas de tipo y que se utiliza para transmitir energía eléctrica desde un sistema de alta tensión a un sistema de baja tensión. Incluye transformadores, equipos de conmutación de baja y alta tensión, líneas de conexión y equipo auxiliar encerrado en un casco".
La norma de la industria mecánica JB/T 10217-2000 Transformadores Combinados establece que la definición estándar de un transformador combinado es: "un transformador que combina el cuerpo del transformador, el equipo de conmutación, fusibles, cambiadores de toma, y el equipo auxiliar correspondiente".
La norma de pedido de la industria eléctrica DL/T 537-2002 Guía de Selección para Subestaciones Prefabricadas de Alta y Baja Tensión Tipo Caja revisó la norma original DL/T 537-1993 Condiciones Técnicas para el Pedido de Subestaciones Tipo Caja de 6-35kV, haciendo que la norma de la industria eléctrica para subestaciones tipo caja sea consistente con la IEC 1330-1995. Las diferencias entre DL/T 537-2002 y IEC 1330-1995 (es decir, GB/T 17467-1998) se muestran en la Tabla 1.
Las tres normas nacionales mencionadas anteriormente son todas normas recomendadas. Debido a las diferentes características de las diversas industrias, cada norma tiene sus propias características únicas. La norma de pedido de la industria eléctrica se considera desde la perspectiva del usuario, basándose en las normas internacionales (nacionales), y agrega el contenido introducido en la Tabla 1, proporcionando una base más detallada para la selección de equipos.
Clasificación de Dispositivos Combinados de Distribución de Energía
A pesar de las normas mencionadas anteriormente, la nomenclatura de los dispositivos combinados de distribución de energía en aplicaciones prácticas no es muy uniforme, y la clasificación también varía. Principalmente hay dos categorías: una es definir solo las subestaciones preensambladas como subestaciones tipo caja europeas; la otra es llamar colectivamente a todos los dispositivos combinados de distribución de energía como subestaciones preensambladas, y luego dividir las subestaciones preensambladas en "subestaciones tipo caja europeas" y "subestaciones tipo caja americanas". Algunos proveedores, para satisfacer las necesidades de diferentes usuarios, incluso tienen un producto con dos nombres.
Análisis Estructural y de Rendimiento
Subestación Prefabricada Estilo Europeo
En la década de 1970, China importó equipos de distribución de energía integrados de 6-10kV de países europeos como Francia y Alemania. Este equipo innovador integró los tres componentes principales de una subestación (equipos de conmutación de alta tensión, transformador y gabinete de distribución de baja tensión) en un solo recinto, estableciendo el concepto de subestación prefabricada.
En diciembre de 1993, el antiguo Ministerio de Electricidad publicó la norma de la industria DL/T 537-1993 "Especificaciones Técnicas para Subestaciones Prefabricadas de 6-35kV". El artículo 3.1 de esta norma define explícitamente: "Un conjunto completo de distribución de energía compacto compuesto por equipos de distribución de alta tensión, transformadores de potencia, equipos de distribución de baja tensión y dispositivos de medición de energía eléctrica encerrados en uno o varios gabinetes se denominará subestación prefabricada, abreviado como subestación tipo caja". Originado de diseños europeos, esta configuración se conoció comúnmente como subestación prefabricada estilo europeo.
Tras la publicación de la Norma Nacional GB/T 17467-1998 "Subestaciones Prefabricadas de Alta y Baja Tensión" en 1998, la terminología oficial pasó a ser "subestación prefabricada". Sin embargo, tanto los usuarios como los fabricantes continúan refiriéndose a estas instalaciones como subestaciones tipo caja o subestaciones estilo europeo en la práctica común.
Características Estructurales:
La subestación estilo europeo generalmente consta de tres compartimentos funcionales:
Compartimento de alta tensión
Compartimento de baja tensión
Compartimento del transformador
Se emplean dos configuraciones principales:
Distribución lineal: Configuración estándar
Distribución triangular: Adoptada para requerimientos de circuitos de baja tensión complejos
Ventajas de Rendimiento sobre las Subestaciones Convencionales:
Optimización de la proximidad de la carga:
Reduce el radio de suministro de energía en un 40-60%
Disminuye los costos de inversión en cables en un 25-35%
Reduce las pérdidas en línea en un 15-20%
Eficiencia espacial:
Ocupa aproximadamente el 10% del espacio de una subestación tradicional
Reduce los costos de ingeniería civil en un 60-70%
Instalación simplificada:
Tiempo de construcción en campo reducido en un 50-60%
Limitaciones Técnicas y Soluciones:
El diseño de encapsulación presenta desafíos críticos de gestión térmica:
Disipación de calor restringida eleva la temperatura interna (aumento típico ΔT: 8-12°C)
Impactos térmicos potenciales en la estabilidad de los componentes (degradación estimada del rendimiento: 3-5% por cada aumento de 10°C)
Estrategias de mitigación industriales incluyen:
Sistemas de ventilación avanzados:
Paredes de recinto con estructura laberinto
Ventiladores de flujo axial (capacidad típica de 200-400 CFM)
Medidas de mejora térmica:
Optimización de radiadores (área superficial aumentada en un 20-30%)
Materiales aislantes resistentes al calor (Clase H o superior)
Estas soluciones, aunque efectivas, introducen:
Complejidad estructural (extensión del ciclo de fabricación: 15-20%)
Consumo adicional de energía (sistemas auxiliares: 5-8% de la carga total)
Emisiones acústicas (aumento típico del nivel de ruido: 3-5 dBA)
Avances Tecnológicos Recientes:
Los principales fabricantes han logrado desarrollos pioneros en la gestión térmica:
Nuevas configuraciones de disipación de calor para transformadores (eficiencia mejorada: 12-15%)
Aerodinámica optimizada de la carcasa (reducción de temperatura: 6-8°C)
Diseños de alta capacidad certificados (≥800kVA) sin ventilación forzada
Cumplimiento con los límites térmicos de transformadores secos GB 1094.11 (aumento máximo de temperatura de bobinas: 100K)
Estas innovaciones mantienen el cumplimiento con las normas nacionales mientras logran:
Ahorro de energía (reducción del consumo de energía de los ventiladores: 100%)
Reducción del nivel de ruido (4-7 dBA)
Mayor confiabilidad operativa (mejora del MTBF: 20-25%)
Subestaciones Tipo Caja Estilo Americano (Transformadores Combinados)
En la década de 1990, los transformadores de distribución trifásicos compartimentados de estilo americano entraron en el mercado chino. Según la Norma Nacional Americana (ANSI) C57.12.26-1992 Norma para Transformadores de Distribución Trifásicos Compartimentados Autoenfriados con Conectores de Alta Tensión de Conexión en Pad, los cables de alta tensión se conectan al transformador a través de conectores de cable en el compartimento de alta tensión, y los cables de baja tensión se conectan a los bornes de baja tensión con tornillos en el compartimento de baja tensión. El tanque de aceite del transformador compartimentado de pad está equipado con fusibles de alta tensión y interruptores de carga de cuatro posiciones. El transformador puede operar como terminal o en red de anillo, protegiendo y controlando el estado de suministro de energía en el lado de alta tensión del transformador.
Los fabricantes de transformadores en China han agregado interruptores automáticos de baja tensión y medidores de electricidad a los compartimentos de baja tensión de los productos de estilo americano, convirtiéndolos en dispositivos combinados de distribución de energía. Estos dispositivos se utilizan ampliamente en comunidades residenciales. Para distinguirlos de las subestaciones tipo caja europeas, se les llama subestaciones tipo caja estilo americano, también conocidos como transformadores combinados. La norma de la industria mecánica JB/T 10217-2000 Transformadores Combinados explica la definición estándar de los transformadores combinados (como se mencionó anteriormente). En el 3.7, define los "compartimentos de alta y baja tensión" como "espacios donde los terminales de cable de alta y baja tensión y las partes de operación y control de los componentes eléctricos están encerrados por placas de acero, dependiendo de las paredes del tanque de aceite". Esta es una de las diferencias estructurales con las subestaciones tipo caja europeas.
Esta norma clasifica los transformadores combinados (subestaciones tipo caja estilo americano) en dos tipos según la estructura del tanque de aceite: tipo tanque común y tipo tanque separado. En el tipo tanque común, los componentes eléctricos de alta tensión comparten un tanque de aceite de transformador con el cuerpo del transformador, denotado por la letra ZG. En el tipo tanque separado, los componentes eléctricos de alta tensión, como interruptores de carga, se colocan en un tanque de aceite separado, mientras que otros componentes eléctricos de alta tensión y el cuerpo del transformador se instalan en otro tanque de aceite. Los circuitos de aceite de los dos tanques no están conectados, denotados por la letra ZF.
Transformadores Combinados de Tanque Común
Además de las ventajas de las subestaciones tipo caja de estilo europeo, los transformadores combinados de tanque común tienen las siguientes ventajas:
Menor Huella: Ocupa aproximadamente 3/5 del área de una subestación tipo caja de estilo europeo.
Mejor Disipación de Calor: El transformador está expuesto directamente, lo cual es beneficioso para la disipación de calor. La estructura es relativamente simple, y el precio de venta es relativamente bajo (aproximadamente 3/5 del de una subestación tipo caja de estilo europeo).
Transporte e Instalación Cómodos: Menor volumen, lo que facilita el transporte e instalación.
En el contexto chino, las subestaciones tipo caja de estilo americano importadas directamente del extranjero tienen las siguientes deficiencias:
Degradación del Aceite del Transformador: Cuando opera el interruptor de carga de alta tensión, el arco generado es probable que cause la descomposición del aceite del transformador, afectando la vida útil general de la subestación tipo caja de estilo americano.
Operación en Falta de Fase: Cuando se quema un fusible de alta tensión, puede causar que el transformador opere en condiciones de falta de fase.
Funcionalidad Limitada del Circuito de Alta Tensión: El circuito de alta tensión tiene funciones relativamente simples, lo que no satisface completamente los requisitos de las regulaciones actuales de operación eléctrica. Por ejemplo, el interruptor de carga de alta tensión no tiene un punto de desconexión evidente.
Para abordar estos problemas, los fabricantes nacionales han realizado varias mejoras. Como se mencionó anteriormente, se han agregado interruptores automáticos de baja tensión (generalmente interruptores automáticos inteligentes de aire) a los compartimentos de baja tensión de las subestaciones tipo caja de estilo americano para lograr múltiples protecciones contra fallas, como sobrecarga, bajada de tensión, cortocircuito y a tierra. Esto elimina el fenómeno de que los fusibles de alta tensión se quemen debido a cortocircuitos o sobrecargas en las líneas de alimentación de baja tensión, evitando la operación en falta de fase del transformador. En segundo lugar, se ha rediseñado la parte de alta tensión. Por ejemplo, en términos de protección de alta tensión, las subestaciones tipo caja de estilo americano usan interruptores de carga para cortar el suministro de energía de la carga y se basan en la protección de respaldo de fusibles y fusibles de conexión para la protección completa de la energía.
Transformadores Combinados de Tanque Separado
Hasta ahora, la mayoría de las subestaciones tipo caja de estilo americano producidas por los fabricantes de transformadores pertenecen a los transformadores combinados de tanque común tipo ZG. Para eliminar las deficiencias de los transformadores combinados de tanque común mencionadas anteriormente, los fabricantes nacionales de transformadores han separado los componentes de alta tensión, como interruptores de carga y fusibles de protección de respaldo, del tanque de aceite del transformador. Se inyecta aceite de alto punto de inflamación en los pequeños compartimentos de componentes de alta tensión, como interruptores de carga, y se inyecta aceite ordinario No. 25 en el tanque de aceite del transformador. Esto no solo resuelve el problema de envejecimiento del aceite del transformador causado por la operación del interruptor de carga, sino que también aborda el problema de disipación de calor causado por el uso de aceite de alto punto de inflamación en todo el tanque de aceite del transformador (debido a su alta viscosidad).
Adopción de Transformadores de Aleación Amorfa
El transformador es el componente de mayor tamaño y que más calor genera en una subestación tipo caja. Sus características estructurales y el nivel de pérdidas están directamente relacionados con el diseño general de la subestación tipo caja.
En 1996, China desarrolló y produjo con éxito transformadores de distribución de aleación amorfa por debajo de 500 kVA, pero la producción fue pequeña y no se logró una producción a gran escala. En 1998, la empresa Shanghai Xindian Electric Company introdujo la tecnología de diseño y fabricación de transformadores de aleación amorfa de General Electric (GE) en los Estados Unidos para la producción a gran escala. Actualmente, hay más de 20 fabricantes de transformadores de aleación amorfa. La pérdida en vacío de los núcleos de aleación amorfa es el 20% de la serie S9, mostrando un efecto de ahorro de energía muy significativo.
Las normas de transformadores de distribución ANSI también juegan un papel en el contexto más amplio de la tecnología y el mercado de transformadores. Sin embargo, el principal factor que restringe la adopción de transformadores de aleación amorfa en las subestaciones tipo caja nacionales es el precio, lo que requiere que el país implemente políticas de incentivo correspondientes. De hecho, existen muchas políticas de incentivo para el uso de transformadores de aleación amorfa tanto dentro como fuera del país. Según los fabricantes taiwaneses, la región de Taiwán ha formulado normas estrictas para los productos de transformadores de aleación amorfa. Dondequiera que los usuarios compren transformadores de aleación amorfa, pueden recibir subsidios basados en la capacidad del transformador, con un premio de decenas de miles de Nuevos Dólares Taiwaneses por kW.
Comparación entre Subestaciones Tipo Caja de Estilo Europeo y Estilo Americano
Como se mencionó anteriormente, tanto las subestaciones tipo caja de estilo americano como las de estilo europeo comparten ventajas en términos de volumen, superficie y coordinación ambiental. Las subestaciones tipo caja de estilo americano, que a menudo se diseñan con referencia a las normas relacionadas con transformadores de distribución ANSI, incluso tienen ciertas ventajas sobre las de estilo europeo en aspectos como la superficie, el precio y la disipación de calor. Por ejemplo, en el caso de la subestación tipo caja DXB(W)-1.10, los empalmes de alta y baja tensión, los cambiadores de toma, los conservadores de aceite y las válvulas de drenaje de aceite del transformador se instalan en una pared lateral, cada uno encerrado en compartimentos de equipos de alta y baja tensión separados. El transformador, por lo tanto, forma parte de la carcasa de la subestación tipo caja, mientras que las otras tres paredes laterales están equipadas con disipadores de calor corrugados expuestos al aire. Esto mejora las condiciones de disipación de calor y reduce ciertas pérdidas.
Sin embargo, dado que las partes de disipación de calor de las subestaciones tipo caja de estilo americano están expuestas al aire durante mucho tiempo, surgen nuevos problemas, como la corrosión de materiales debido al entorno natural, que afectan la vida útil general del equipo. Además, en verano, la temperatura de los disipadores de calor de las subestaciones tipo caja de estilo americano puede alcanzar los 80-90°C, lo que representa un riesgo de quemaduras para las personas que accidentalmente se acerquen a ellos.
Las subestaciones tipo caja de estilo europeo que utilizan transformadores de aleación amorfa son productos recientemente desarrollados por los fabricantes nacionales. Representan un avance tecnológico tras los transformadores combinados de aleación amorfa (incluyendo los tipos de tanque común y separado). Con mejoras en otros diseños de disipación de calor, logran enfriamiento natural mientras cumplen con los requisitos nacionales de aumento de temperatura, eliminando el consumo de energía y el ruido de los ventiladores. Así, las subestaciones tipo caja de estilo europeo con transformadores de aleación amorfa poseen excelentes características técnicas.
Conclusión
Con la promoción adicional de las normas, la nomenclatura de los dispositivos combinados de distribución de energía debería volverse más unificada. El desarrollo de la tecnología y la mejora de los procesos de fabricación y las estructuras hacen que las subestaciones tipo caja de estilo americano y europeo sean más ventajosas en comparación con las subestaciones tradicionales. Están mejor adaptadas a las demandas del mercado de miniaturización, coordinación ambiental, multifuncionalidad y suministro de energía confiable de los equipos de distribución. Si el uso de materiales ecológicos y ahorradores de energía, como las aleaciones amorfas, puede recibir ciertos incentivos políticos, el rendimiento técnico y económico de las subestaciones tipo caja nacionales se mejorará aún más.
