Quins són els requisits d'instal·lació dels transformadors interiors de 10 kV?

Requisits del lloc i de l'espai per a la instal·lació de transformadors interiors de 10 kV

Separacions mínimes, dimensions de la sala i zonificació segons les normes IEC 60076 i IEEE C57.12.00

El compliment de les normes IEC 60076 i IEEE C57.12.00 és essencial per garantir instal·lacions segures i conformes a la normativa dels transformadors interiors de 10 kV. Aquestes normes defineixen les separacions mínimes per prevenir riscos elèctrics, assegurar la gestió tèrmica i permetre l'accés segur per a la manteniment:

• Front/posterior: 1,5–3 m per al tendit de cables, la seguretat operativa i l'accés als interruptors
• Costats: 1–1,5 m respecte als murs per suportar la ventilació i reduir el risc d'arc elèctric
• Sobrecàrrega: 1,8–2,5 m des del sostre fins als suports — fonamental per a la seguretat del personal i per a la desviació de les columnes tèrmiques

Quan planifiqueu l'espai per als transformadors, recordeu que necessiten espai no només per a la seva mida real, sinó també per a totes les separacions obligatòries al seu voltant. Els transformadors de més de 500 kVA normalment requereixen una atenció especial. La majoria de normatives locals exigeixen parets resistents al foc d’almenys dues hores i passarel·les separades per a l’accés al manteniment. Les normes NEC i IEC no són exactament idèntiques pel que fa al tractament de les qüestions de messa a terra o a què es considera una distància segura. No obstant això, malgrat aquestes diferències, ambdues tenen com a objectiu final la seguretat dels treballadors. Aquestes aproximacions divergents mostren diferents maneres de pensar sobre la seguretat elèctrica, que cal resoldre abans d’iniciar qualsevol treball de disseny seriós del projecte.

Implicacions de l’empremta dels transformadors de tipus sec versus els immersos en oli, de la separació contra incendis i de la zonificació de ventilació

Els transformadors de tipus sec ofereixen avantatges espacials significatius: una superfície ocupada ~30 % més petita que la dels equips equivalents immersos en oli i cap necessitat de contenir líquids. No obstant això, la seva instal·lació continua subjecta a regulacions molt estrictes, especialment l’Article 450.21 de la NFPA 70 (NEC) per a ús interior:

• Separació contra incendis: Els equips amb oli requereixen basses dimensionades per contenir el 110 % del volum total d’oli (segons la norma IEEE C57.12.00-2023) i barreres resistents al foc entre unitats o espais adjacents.
• Zonificació de ventilació: Els transformadors de tipus sec es poden instal·lar amb una separació mínima de 0,3 m respecte a superfícies no combustibles i s’integren a les zones generals de climatització; els equips amb oli requereixen conductes d’extracció dedicades que desembocaven a l’exterior o a una sala tècnica amb dispositiu de descàrrega d’explosió.
• Optimització de la superfície ocupada: Els transformadors de tipus sec permeten apilaments més compactes (separació lateral de 1 m), mentre que els equips amb oli exigeixen una separació ≥2,5 m per limitar el risc de propagació d’incendis en condicions de fallada.

La selecció hauria de tenir en compte no només l’estalvi d’espai, sinó també el perfil de risc del cicle de vida: els transformadors secs eliminen els problemes de vessaments i inflamabilitat, però exigeixen un control més estricte de la temperatura ambient i mesures per mitigar la pols.

Gestió tèrmica i ventilació per a l’operació de transformadors interiors

Selecció del mètode de refrigeració: convecció natural, refrigeració forçada amb aire i requisits de canalització

El mètode de refrigeració afecta directament la durada, l’eficiència i la integració espacial del transformador. La convecció natural (ONAN) és adequada per a unitats més petites (< 2.500 kVA) en sales ben ventilades amb condicions ambientals estables. La refrigeració forçada amb aire (ONAF) esdevé necessària per a càrregues més elevades o espais confinats i requereix una canalització específica:

• Les seccions transversals de les canalitzacions han de proporcionar entre el 150 % i el 200 % de la superfície de radiador per mantenir una velocitat de flux d’aire ≥ 2 m/s
• Els recorreguts de les canalitzacions han d’evitar corbes brusques, colzes o obstacles que puguin provocar turbulències o caigudes de pressió
• Els radiadors requereixen un espai lliure d’almenys 1 m a tots els costats i han d’estar aïllats de l’equipament que genera calor (per exemple, sistemes UPS, quadres elèctrics) per evitar la recirculació d’aire calent

La modelització tèrmica durant el disseny —amb eines validades segons la norma IEC 60076-7— assegura que la capacitat de refrigeració coincideixi amb els perfils de càrrega més desfavorables i les condicions extremes d’ambient.

Límits d’elevació de temperatura (per exemple, 115 K per a la classe H) i directrius de reducció de rendiment en funció de la temperatura ambient

La vida útil de l'aïllament del transformador depèn realment del compliment d'aquests límits de temperatura. La majoria de transformadors de tipus sec utilitzen aïllaments de classe H, que permeten un augment d'aproximadament 115 graus Kelvin respecte a la temperatura ambient base de 40 graus Celsius. Quan es superen aquests límits, els materials comencen a degradar-se més ràpidament del normal. Segons la coneguda regla d'Arrhenius, si la temperatura supera en 8 a 10 graus el valor recomanat, l'aïllament es degrada al doble de velocitat. També cal reduir la potència nominal dels transformadors quan operen en entorns més càlids: per cada grau Celsius superior a 40 °C, la capacitat disminueix un 0,4 %. Per exemple, un transformador de 1.000 kVA només pot subministrar uns 960 kVA quan l'aire circumdant arriba als 45 graus. Per mantenir tot el sistema funcionant a plena potència cal disposar de sistemes de ventilació adequats que mantinguin la temperatura ambient per sota dels 40 graus i la humitat relativa per sota del 60 %. Això ajuda a evitar que la humitat s'absorbeixi en el material aïllant sòlid i impedeix l'inici d'aquelles molestes descàrregues parcials.

Seguretat elèctrica i posada a terra per a sistemes de transformadors de 10 kV

Disseny de posada a terra de baixa impedància per complir la norma IEEE 80 i limitar les tensions de contacte/pas

Un sistema de posada a terra de baixa impedància és fonamental —no opcional— per a la seguretat del personal i la protecció de l’equipament. Dissenyat segons les normes IEEE 80 i IEC 61936, dissipa de forma segura el corrent de fallada mentre limita els gradients de tensió perillosos a les superfícies accessibles. Els objectius principals de rendiment inclouen:

• Resistència de la xarxa de terra ≤ 5 Ω (millor pràctica industrial per a subestacions interiors)
• Ús de conductors de coure #2 AWG o més grans per suportar els corrents de fallada previsibles
• Connexió (bonding) del dipòsit del transformador, del punt neutre, dels parallamps i de les carcasses metàl·liques per establir una zona equipotencial

La norma IEEE 80 estableix els requisits per a la geometria de la xarxa de terra, incloent-hi aspectes com la profunditat dels conductors, que generalment ha de ser d’almenys 600 mm, l’espaiament adequat entre components i la col·locació vertical dels elèctrodes, que ha d’arribar a uns 2,4 metres o més. Aquestes especificacions ajuden a mantenir sota control aquells perillosos potencials de pas i de contacte, idealment reduint-los per sota del llindar de 100 V. Les proves de resistència de terra cal fer-les anualment, perquè ningú no es dóna compte dels canvis en les condicions del sòl ni de la corrosió que va deteriorant les connexions fins que no ocorre un problema. Penseu, per exemple, en els centres de dades, on la seguretat és la prioritat màxima. Quan els sistemes de terra compleixen els requisits normatius, redueixen significativament la freqüència d’incidents d’arc elèctric. Les referències sectorials de 2024 mostren que aquests sistemes conformes poden reduir, de fet, el risc de lesions aproximadament a la meitat en comparació amb les instal·lacions no conformes.

Instal·lació mecànica: fonamentació, estabilitat i control de les vibracions

Especificacions de la plataforma de formigó, ancoratge sísmic i bones pràctiques de muntatge antivibració

Quan es muntaven transformadors interiors de 10 kV, es tracta de càrregues dinàmiques que requereixen treballs especials de fonamentació més enllà de les superfícies habituals del terra. Per als enlosats de formigó, la regla general és una gruix mínim de 200 mm amb reforç de malla d'acer a tot arreu. El curat adequat segons les normes ASTM C31 assegura que el formigó assolirà una resistència d'uns 30 MPa o superior. Els transformadors situats en zones propenses a terratrèmols necessiten cargols d'ancoratge que compleixinin les especificacions IEEE C57.12.00 pel que fa a la profunditat i als requisits de parell de gir. Aquests s'han de combinar amb suports d'aïllament de base que ajudin a separar l'equipament de les forces horitzontals de sacsejada durant els terratrèmols. Per fer front a les vibracions, la majoria d'instal·lacions utilitzen coixinets semblants al cautxú sota la base del transformador. Les proves in situ mostren que aquests coixinets redueixen la transmissió de ressonància aproximadament un 70 % respecte als suports rígids tradicionals, segons una recerca publicada l'any passat a la revista PGP Journal. També és molt important la relació entre el control de vibracions i l'ancoratge sísmic. Si els cargols no es carguen correctament o si els coixinets es comprimeixen de forma inadequada, tots dos sistemes fallen simultàniament. Per això, els tècnics experimentats sempre realitzen comprovacions finals mitjançant proves modals in situ per assegurar-se que les freqüències naturals no coincideixin amb els sons d'explotació del transformador, com ara el brunzit típic de 120 Hz que produeixen els nuclis quan funcionen a plena capacitat.

Posada en marxa, proves i verificació del compliment normatiu

La posada en marxa i les proves exhaustives són imprescindibles per garantir la seguretat i la fiabilitat de les instal·lacions de transformadors interiors de 10 kV, i constitueixen la principal prova del compliment normatiu. Aquest procés comença abans amb l'energització i es prolonga amb la validació elèctrica i mecànica completa.

Inspecció prèvia a la posada en marxa: verificació de la placa de característiques, integritat visual i comprovacions d'humitat

Abans d'engegar res, hem de garantir que tot està físicament preparat per posar-se en marxa. Els tècnics han de comprovar primer les dades de la placa de característiques, examinant aspectes com les relacions de tensió, els nivells d'impedància, els grups vectorials i les classes de refrigeració, i comparant-los amb el que es va aprovar durant la fase de disseny. Una bona inspecció visual inclou l'examen dels aïlladors per detectar fissures o desgast, la verificació que els terminals estan prou apretats segons el parell de torsió recomanat, la comprovació que les juntes encara estan ben estancades i la recerca de qualsevol dany causat durant el transport o la manipulació. Un aspecte especialment important és la mesura del nivell d'humitat als materials aïllants basats en paper. Per obtenir aquestes lectures s'utilitzen proves com l'espectroscòpia en domini de freqüència o el corrent de desplaçament per polarització. Si es detecta una humitat superior al 1,5 %, cal secar el sistema, ja que una quantitat excessiva d'aigua pot reduir gairebé a la meitat la vida útil de l'aïllament, segons la recerca publicada l'any passat per Doble Engineering. I cal recordar que tots aquests resultats d'assaig han de complir els requisits establerts en les normes sectorials, com ara la IEEE C57.12.90 i la IEC 60076-3, quan s'avalua si l'equipament supera el control de qualitat.

Proves elèctriques crítiques: resistència d’aïllament, relació de transformació, resistència d’enrotllament i anàlisi de resposta en freqüència (SFRA)

Després de la inspecció, les proves elèctriques estandarditzades confirmen la integritat funcional:

• Resistència d’aïllament (IR): Es mesura amb un megòhmmetre de 5 kV; els resultats es corregixen per temperatura i es comparen amb els valors de referència o amb els llindars de la norma IEEE 902 per detectar contaminació o entrada d’humitat
• Relació de transformació (TTR): Verifica l’exactitud de la transformació de tensió dins d’un marge de ±0,5 % del valor nominal indicat a la placa de característiques, identificant possibles desalineacions del commutador de preses o defectes als enrotllaments
• Resistència d’enrotllament: Detecta connexions soltes o camins asimètrics d’enrotllament mitjançant micròhmmetres de corrent continu; les desviacions superiors al 2 % entre fases requereixen investigació
• Anàlisi de resposta en freqüència (SFRA): Estableix una «empremta mecànica» comparant les respostes d’amplitud i fase en l’interval de freqüències de 1 kHz a 2 MHz; els canvis superiors a 3 dB indiquen moviment del nucli, deformació de l’enrotllament o fallada del sistema de fixació

Col·lectivament, aquestes proves compleixen l’article 450.6 del NEC, la norma OSHA 1910.303 i els protocols de posada en servei exigits pels asseguradors, documentant la diligència deguda abans de la primera posada en tensió.

FAQ

Quins són els requisits de distàncies lliures per instal·lar un transformador interior de 10 kV?

Assegurar distàncies lliures adequades és fonamental per a la seguretat i el manteniment. L’espai frontal i posterior ha d’estar entre 1,5 i 3 metres, els laterals entre 1 i 1,5 metres, i les distàncies lliures verticals entre 1,8 i 2,5 metres.

Quines són les principals diferències entre els transformadors secs i els immersos en oli?

Els transformadors secs tenen una petita empremta, amb un espai requerit aproximadament un 30 % menor que el dels transformadors immersos en oli. Requereixen zones HVAC integrades, mentre que els transformadors d’oli necessiten conductes d’extracció dedicades. A més, els transformadors d’oli han de disposar de separadors contra incendis i basses per al conteniment de l’oli.

Com afecten els mètodes de refrigeració les instal·lacions de transformadors?

Trieu el mètode de refrigeració adequat, com la convecció natural o la refrigeració per aire forçat, afecta l’eficiència i la durada del transformador. Una canalització i una ventilació adequades són fonamentals, i la modelització tèrmica pot ajudar a adaptar les necessitats de refrigeració als requisits de càrrega.

Què implica el procés d’inspecció prèvia a la posada en servei?

La inspecció prèvia a la posada en servei implica verificar la informació de la placa de característiques, realitzar inspecions visuals per comprovar la integritat física i fer proves del nivell d’humitat dels materials d’aïllament. Si l’humitat supera els límits establerts, cal secar-los per evitar la degradació de l’aïllament.