Características Técnicas Aplicación y Estándares de Reactores Secos de Derivación de 500kV en Brasil

1 Características Técnicas y Referencias de Estándares de los Reactores Secundarios de 500kV sin Aceite
1.1 Características Técnicas

El reactor secundario de 500kV sin aceite, un dispositivo eléctrico de ultra-alta tensión sin aceite, destaca por sus características principales como la avanzada aislación, la innovadora disipación de calor, el diseño electromagnético optimizado y la estructura modular. Estas ventajas, que superan a los reactores sumergidos en aceite tradicionales, también impulsan nuevas demandas de estándares técnicos.

• Aislamiento Avanzado: Utilizando resina epoxi fundida y nanocompuestos (con partículas de nano-SiO₂ que aumentan la resistencia a la ruptura de la resina epoxi en un ~40% y el voltaje inicial de descarga parcial en un 25%), mejora el aislamiento y la resistencia a la descarga parcial. Este avance exige redefinir los niveles de aislamiento y los métodos de prueba de descargas parciales en los estándares.

• Disipación de Calor Innovadora: Una estructura compuesta (enfriamiento forzado multicanal + disipación de calor asistida por material de cambio de fase) mantiene el aumento de temperatura en los puntos calientes dentro de 60K (bien por debajo de los límites de la IEC, verificado mediante análisis de elementos finitos y experimentos). Se necesitan nuevos métodos/limites de prueba de aumento de temperatura en los estándares.

• Diseño Electromagnético Optimizado: El bobinado de capas múltiples desplazadas y el aislamiento de gradiente optimizan la distribución del campo eléctrico, mejorando la resistencia a cortocircuitos. El análisis de elementos finitos muestra una reducción de aproximadamente 20% en la intensidad máxima del campo eléctrico en los bobinados. Los estándares deberían incluir métodos de evaluación para la distribución del campo eléctrico y la resistencia a cortocircuitos.

• Estructura Modular: Compuesta por unidades básicas idénticas conectadas en serie, facilitando la fabricación, transporte e instalación en el sitio. Los estándares necesitan requisitos de prueba para la confiabilidad de las conexiones intermodulares y la consistencia del rendimiento general.

1.2 Referencia y Formulación de Estándares Técnicos

En la aplicación de la tecnología de reactores secundarios de 500kV sin aceite en Brasil, los estándares técnicos jugaron un papel clave. El equipo de investigación se adentró en el estándar eléctrico brasileño ABNT NBR 5356 - 6 Transformador Parte 6: Reactores, y combinó estándares internacionales como IEC 60076 - 6 Transformadores de potencia - Parte 6: Reactores y IEEE Std C57.12.90 - 2021 Procedimientos de Prueba Estándar para Transformadores de Distribución, Potencia y Regulación Sumergidos en Líquido, para desarrollar una especificación técnica de reactores secundarios de 500kV sin aceite adaptada al contexto brasileño.

Los aspectos clave durante la formulación de la especificación:

• Nivel de Aislamiento: Adaptado a la red brasileña, se elevaron los requisitos de aislamiento (voltaje de resistencia a impulso de rayo: 1550kV; voltaje de resistencia a impulso operativo: 1175kV - más alto que los estándares chinos pero adecuado para la red). Según NBR5356 - 6, la prueba de impulso de conmutación Tz ≥ 1000 μs y Td ≥ 200 μs.

• Aumento de Temperatura y Disipación de Calor: Para el entorno de alta temperatura de Brasil, se ajustó el límite de aumento de temperatura promedio de 60K a 50K (mediante un diseño de enfriamiento innovador, aumentando la seguridad). Se agregaron análisis de termografía y monitoreo de temperatura a largo plazo para la estructura de enfriamiento compuesta.

• Requisitos y Cálculo de Pérdidas: Diseñado según los estándares brasileños con un límite de pérdida de interferencia del 0.3%. Utilizando el Anexo B.2 de IEEE Std C57.12.90 - 2021, se construyó un modelo de conversión de pérdidas de 50Hz a 60Hz, asegurando cálculos de pérdidas precisos y comparables entre frecuencias.

• Adaptabilidad Ambiental: Para el clima caliente y húmedo de Brasil, se agregaron requisitos de resistencia a la niebla salina, a la contaminación y a los rayos UV para mejorar la confiabilidad a largo plazo. Se formularon pruebas como el envejecimiento acelerado y los ciclos de humedad-calor.

2 Práctica de Aplicación de Reactores Secundarios de 500kV sin Aceite en Brasil
2.1 Desafíos en la Introducción de Tecnología y Adaptación de Estándares

La aplicación de la tecnología de reactores secundarios de 500kV sin aceite en el sistema eléctrico brasileño plantea varios desafíos, requiriendo soluciones a estos problemas clave:

• Diferencias en Estándares Técnicos: El ABNT NBR 5356 - 6 Transformador Parte 6: Reactores de Brasil y el GB/T 1094.6 - 2017 Transformadores de potencia - Parte 6: Reactores de China son estructuralmente similares, pero difieren en requisitos específicos y detalles de implementación. Ambos hacen referencia a la IEC 60076 - 6, pero están localizados para necesidades nacionales, variando en niveles de aislamiento, límites de aumento de temperatura y métodos de cálculo de pérdidas. Estas diferencias requieren un manejo cuidadoso durante la adaptación tecnológica.

• Adaptabilidad Climática: El clima tropical de Brasil (por ejemplo, la región de Silvânia: temperatura media anual >25°C, humedad relativa ≥80%) impone mayores demandas de disipación de calor y aislamiento. Este ambiente caliente y húmedo desafía seriamente el aislamiento y la vida útil del equipo de potencia tradicional.

• Adaptación a las Características de la Red: La red de 500kV de Brasil tiene fluctuaciones de voltaje ~15% más altas que las redes de nivel similar en China, con diferentes ambientes armónicos. Los reactores necesitan mayor adaptabilidad de voltaje y mejor rendimiento antiarmónico.

• Necesidades de Operación y Mantenimiento (O&M) Localizadas: Para garantizar la operación confiable a largo plazo, se deben considerar las capacidades/hábitos de O&M localizados, cubriendo la formación técnica, el suministro de repuestos y los servicios localizados.

2.2 Ajuste e Innovación de Estándares Técnicos

Para abordar los desafíos mencionados, esta investigación tomó medidas innovadoras, siendo la más crucial el ajuste de los estándares técnicos y especificaciones previos al proyecto basándose en el uso real y las pruebas del nuevo reactor sin aceite. Esto resolvió los problemas de adaptación técnica y proporcionó una referencia clave para proyectos similares.

Modificaciones clave de los estándares técnicos:

• Cancelación de la Prueba de Descarga Parcial: La interferencia externa de corona en los reactores sin aceite supera ampliamente las descargas parciales internas. Sin métodos de prueba/criterios maduros para la descarga parcial de interferencia, y considerando que NBR 5356 - 11 - 2016 solo se aplica a transformadores de baja tensión sin aceite (sin interferencia externa) y que IEEE C57.21 exime a los reactores secundarios sin aceite de tales pruebas, la prueba de descarga parcial para reactores de 500kV sin aceite se cancela.

• Optimización del Aislamiento y Tiempo de Prueba: Según los estándares brasileños, el voltaje de resistencia a impulso de rayo es de 1550kV y el voltaje de resistencia a impulso operativo es de 1175kV. Debido a la impedancia del reactor, los parámetros de tiempo de la prueba de impulso de conmutación se ajustan a Td ≥ 120 μs y Tz ≥ 500 μs.

• Mejora de la Disipación de Calor: Para el clima caliente y húmedo de Brasil, se desarrolló una nueva estructura de disipación de calor compuesta utilizando aislamiento Clase H (180°C), lo que aumenta la resistencia al calor en 30°C en comparación con los diseños tradicionales. Las simulaciones térmicas muestran que el aumento de temperatura en los puntos calientes se mantiene dentro de 60K (por debajo de los límites de diseño).

• Ajuste del Método de Cálculo de Pérdidas: La pérdida de un reactor comprende la pérdida de resistencia directa (Pdc) de su bobinado y la pérdida adicional (Pa) del bobinado. Para una estructura de reactor dada, tanto Pdc como Pa son proporcionales al cuadrado de la corriente. Utilizando conductores transpuestos, y con solo unos pocos componentes metálicos conductores pequeños (como conectores) en los puntos de conexión (no magnéticos), la pérdida adicional representa una proporción baja de la pérdida directa. Los resultados de las pruebas muestran que la pérdida adicional del prototipo es de ~9%–12%, por lo que la fórmula de cálculo de pérdida es la siguiente:

• Mejora de la Adaptabilidad de Voltaje: Al optimizar el diseño electromagnético, se expandió el rango de adaptación de voltaje del equipo para hacer frente a las grandes fluctuaciones de voltaje en la red eléctrica brasileña. Al mismo tiempo, se mejoró el rendimiento antiharmónico del equipo, y se redujeron los modos armónicos mediante un diseño de bobinado especial.

3 Evaluación de los Efectos Prácticos y de los Estándares Técnicos
3.1 Análisis de los Efectos Prácticos

A través de su aplicación en la Subestación de Silvânia, el reactor secundario de 500kV sin aceite demostró un excelente rendimiento. Según el informe de prueba CEPRI-EETC03-2022-0880 (E), los indicadores clave son:

• Nivel de Pérdida: Pérdida medida: 58.367kW @ 80°C (por debajo del límite de 60kW), verificando los métodos efectivos de cálculo y control de pérdidas.

• Control de Ruido: Ruido medido: 57dB(A) (bien por debajo del requisito de 80dB(A)), gracias al diseño centrado en el control de ruido.

• Rendimiento de Aumento de Temperatura: Aumento de temperatura promedio: 22.9K; aumento de temperatura en puntos calientes: 26.5K (ambos por debajo de los límites de diseño), validando el nuevo diseño de enfriamiento para el clima de Brasil.

• Rendimiento Eléctrico: Buena actuación en las pruebas (impulso de rayo/operativo). Se utilizaron los parámetros de ABNT NBR 5356 - 4/IEC 60076 - 4 (T1, Td, Tz) para el impulso operativo, teniendo en cuenta la impedancia del reactor.

Esto demuestra la aplicabilidad/superioridad del reactor en la red brasileña, especialmente en eficiencia energética/protección ambiental, apoyando el desarrollo sostenible. Los resultados también verifican las especificaciones técnicas científicas y progresistas.

3.2 Evaluación de la Optimización de Estándares Técnicos

Basándose en la práctica y la operación, el equipo propone las siguientes optimizaciones:

• Límites de Pérdida: Reducir el límite de pérdida del reactor de 500kV/20Mvar de 60kW @ 80°C a 58kW @ 80°C; usar 75°C como referencia para el cálculo de pérdidas.

• Estándares de Ruido: Refinar los estándares (por ejemplo, 75dB(A) para subestaciones cercanas a residencias); considerar el ruido bajo diferentes voltajes (por ejemplo, 600kV).

• Límites de Aumento de Temperatura: Ajustar el límite de aumento de temperatura promedio de 60K a 50K; especificar aislamiento Clase B (índice de temperatura de 130°C, aumentos promedio/puntos calientes de 60/90°C).

• Coordinación de Aislamiento: Aumentar el voltaje de resistencia a impulso de rayo a 1600kV (debido a la frecuencia de rayos en Brasil); utilizar 140kV de resistencia a aislamiento seco a frecuencia de red para el punto neutro. Definir la frecuencia de prueba (≥48Hz, 80% de la nominal) y la duración (≥60s).

• Adaptabilidad Ambiental: Agregar requisitos de resistencia a la niebla salina (zonas costeras); considerar el impacto del campo electromagnético, establecer espaciamiento. Usar escudos, recubrimientos anticontaminación/UV en el diseño.

Estas sugerencias mejoran el rendimiento y la confiabilidad del reactor, guían los futuros estándares y ayudan al desarrollo eficiente, confiable y sostenible de la red eléctrica brasileña.