¿Cuáles son los requisitos de instalación de los transformadores interiores de 10 kV?

Requisitos de emplazamiento y espacio para la instalación de transformadores interiores de 10 kV

Separaciones mínimas, dimensiones de la sala y zonificación según las normas IEC 60076 y IEEE C57.12.00

El cumplimiento de las normas IEC 60076 y IEEE C57.12.00 es esencial para garantizar instalaciones seguras y conforme a la normativa de transformadores interiores de 10 kV. Estas normas definen las separaciones mínimas para prevenir riesgos eléctricos, asegurar la gestión térmica y permitir un acceso seguro para mantenimiento:

• Frente/posterior: 1,5–3 m para el tendido de cables, la seguridad operacional y el acceso al interruptor
• Laterales: 1–1,5 m desde las paredes para garantizar la ventilación y mitigar el riesgo de arco eléctrico
• Gastos generales: 1,8–2,5 m desde el techo hasta los aisladores: fundamental para la seguridad del personal y la evacuación de la columna térmica

Al planificar el espacio para los transformadores, recuerde que necesitan espacio suficiente para su tamaño real, además de todas las distancias de seguridad requeridas alrededor de ellos. Los transformadores de más de 500 kVA suelen requerir una atención especial. La mayoría de las normativas locales exigen muros resistentes al fuego con una resistencia mínima de dos horas y pasillos independientes para el acceso durante el mantenimiento. Las normas NEC e IEC no son idénticas en cuanto al tratamiento de los problemas de puesta a tierra ni en lo que se considera una distancia segura. Sin embargo, pese a estas diferencias, ambas buscan, en última instancia, la seguridad del personal. Estos distintos enfoques reflejan formas diversas de concebir la seguridad eléctrica, lo cual debe resolverse antes de iniciar cualquier trabajo serio de diseño en el proyecto.

Implicaciones de la huella física, la separación contra incendios y la zonificación de ventilación entre transformadores secos y transformadores sumergidos en aceite

Los transformadores secos ofrecen importantes ventajas espaciales: una huella aproximadamente un 30 % menor que la de unidades equivalentes con inmersión en aceite y sin necesidad de contención de líquidos. Sin embargo, su instalación sigue estando rigurosamente regulada, especialmente por el Artículo 450.21 de la NFPA 70 (NEC) para uso en interiores:

• Separación contra incendios: Las unidades llenas de aceite exigen sumideros dimensionados para contener el 110 % del volumen total de aceite (según IEEE C57.12.00-2023) y barreras resistentes al fuego entre unidades o entre espacios adyacentes.
• Zonificación de ventilación: Los transformadores secos pueden instalarse con tan solo 0,3 m de separación respecto a superficies no combustibles e integrarse en zonas generales de climatización; las unidades con aceite requieren conductos de extracción independientes que desembocan al exterior o en una sala técnica con dispositivos de alivio de explosión.
• Optimización de la huella: Los transformadores secos permiten un apilamiento más compacto (separación lateral de 1 m), mientras que las unidades con aceite exigen una separación mínima de ≥2,5 m para limitar el riesgo de propagación de incendio en condiciones de fallo.

La selección debe considerar no solo el ahorro de espacio, sino también el perfil de riesgo durante el ciclo de vida: los transformadores secos eliminan las preocupaciones relacionadas con derrames e inflamabilidad, pero exigen un control más estricto de la temperatura ambiente y la mitigación del polvo.

Gestión térmica y ventilación para el funcionamiento de transformadores en interiores

Selección del método de refrigeración: convección natural, refrigeración forzada por aire y requisitos de canalización

El método de refrigeración afecta directamente la durabilidad, la eficiencia y la integración espacial del transformador. La convección natural (ONAN) es adecuada para unidades pequeñas (< 2.500 kVA) instaladas en salas bien ventiladas y con condiciones ambientales estables. La refrigeración forzada por aire (ONAF) se vuelve necesaria para cargas superiores o espacios confinados, y requiere una canalización específica:

• Las secciones transversales de las canalizaciones deben proporcionar del 150 al 200 % del área superficial del radiador para mantener una velocidad de flujo de aire ≥ 2 m/s
• Los recorridos de las canalizaciones deben evitar curvas bruscas, codos u obstáculos que generen turbulencia o caída de presión
• Los radiadores requieren un espacio libre no obstruido de ≥1 m en todos los lados y deben estar aislados de equipos generadores de calor (por ejemplo, sistemas UPS, cuadros de conmutación) para evitar la recirculación de aire caliente

La modelización térmica durante el diseño —mediante herramientas validadas frente a la norma IEC 60076-7— garantiza que la capacidad de refrigeración se ajuste a los perfiles de carga más exigentes y a las condiciones ambientales extremas.

Límites de elevación de temperatura (por ejemplo, 115 K para la clase H) y directrices de reducción de potencia por temperatura ambiente

La vida útil del aislamiento del transformador depende realmente de cumplir estrictamente esos límites de temperatura. La mayoría de los transformadores secos utilizan aislamiento clase H, que permite un aumento de aproximadamente 115 kelvin respecto a la temperatura ambiente base de 40 grados Celsius. Cuando se superan estos límites, los materiales comienzan a degradarse más rápidamente de lo normal. Según lo que se conoce como regla de Arrhenius, si la temperatura supera en 8 a 10 grados el valor recomendado, la degradación del aislamiento se duplica. Asimismo, los transformadores deben reducirse su potencia nominal (derating) al operar en entornos más cálidos: por cada grado Celsius por encima de los 40 grados, se produce una disminución del 0,4 % en su capacidad. Por ejemplo, un transformador de 1.000 kVA solo puede entregar aproximadamente 960 kVA cuando la temperatura del aire circundante alcanza los 45 grados. Para mantener todo funcionando a plena potencia, se requieren sistemas de ventilación adecuados que mantengan la temperatura ambiente por debajo de 40 grados y la humedad relativa por debajo del 60 %. Esto ayuda a prevenir la absorción de humedad por parte del material aislante sólido y evita la aparición de esas molestas descargas parciales.

Seguridad eléctrica y puesta a tierra en sistemas de transformadores de 10 kV

Diseño de puesta a tierra de baja impedancia para cumplir con la norma IEEE 80 y limitar los voltajes de contacto y paso

Un sistema de puesta a tierra de baja impedancia es fundamental —no opcional— para la seguridad del personal y la protección de los equipos. Diseñado conforme a las normas IEEE 80 e IEC 61936, disipa de forma segura la corriente de falla mientras limita los gradientes peligrosos de tensión en las superficies accesibles. Los objetivos clave de rendimiento incluyen:

• Resistencia de la malla de tierra ≤ 5 Ω (buena práctica industrial para subestaciones interiores)
• Uso de conductores de cobre calibre #2 AWG o mayor para soportar las corrientes de falla previstas
• Conexión equipotencial del depósito del transformador, el punto neutro, los pararrayos y las envolturas metálicas para establecer una zona equipotencial

La norma IEEE 80 establece los requisitos para la geometría de la malla de puesta a tierra, incluidos aspectos como la profundidad de los conductores, que generalmente debe ser de al menos 600 mm, el espaciado adecuado entre los componentes y la colocación vertical de los electrodos, que debe alcanzar una profundidad de aproximadamente 2,4 metros o más. Estas especificaciones ayudan a mantener bajo control los peligrosos potenciales de paso y de contacto, reduciéndolos idealmente por debajo del umbral de 100 voltios. Las pruebas de resistencia de puesta a tierra deben realizarse anualmente, ya que nadie advierte los cambios en las condiciones del suelo ni el inicio de la corrosión en las conexiones hasta que ocurre un fallo. Tomemos como ejemplo los centros de datos, donde la seguridad es lo más importante. Cuando los sistemas de puesta a tierra cumplen con los requisitos normativos, reducen significativamente los incidentes de arco eléctrico. Las referencias sectoriales de 2024 indican que estos sistemas conformes pueden reducir, efectivamente, el riesgo de lesiones en aproximadamente un 50 % en comparación con instalaciones no conformes.

Instalación mecánica: cimentación, estabilidad y control de vibraciones

Especificaciones de la losa de hormigón, anclaje sísmico y mejores prácticas para el montaje antivibración

Al instalar transformadores de 10 kV para interiores, nos enfrentamos a cargas dinámicas que requieren trabajos especiales de cimentación más allá de las superficies de piso convencionales. Para los soportes de hormigón, la regla general es un espesor mínimo de 200 mm con refuerzo continuo mediante malla de acero. El curado adecuado, conforme a la norma ASTM C31, garantiza que el hormigón alcance una resistencia de aproximadamente 30 MPa o superior. Los transformadores ubicados en zonas propensas a terremotos requieren pernos de anclaje que cumplan con las especificaciones IEEE C57.12.00 respecto a profundidad y requisitos de par de apriete. Estos deben combinarse con soportes de aislamiento de base que ayuden a separar el equipo de las fuerzas horizontales de sacudida durante los sismos. Para contrarrestar las vibraciones, la mayoría de las instalaciones emplean almohadillas similares al caucho bajo la base del transformador. Pruebas de campo demuestran que estas almohadillas reducen la transmisión de resonancia en aproximadamente un 70 % en comparación con los soportes rígidos tradicionales, según una investigación publicada el año pasado en la revista PGP Journal. Asimismo, la relación entre el control de vibraciones y el anclaje sísmico es muy importante: si los pernos no se aprietan correctamente o las almohadillas se comprimen de forma inadecuada, ambos sistemas fallan simultáneamente. Por ello, los técnicos experimentados siempre realizan verificaciones finales mediante ensayos modales in situ para asegurar que las frecuencias naturales no coincidan con los sonidos operativos del transformador, como el zumbido típico de 120 Hz generado por los núcleos al funcionar a plena capacidad.

Puesta en servicio, ensayo y verificación del cumplimiento normativo

La puesta en servicio y el ensayo exhaustivos son obligatorios para garantizar la seguridad y fiabilidad de las instalaciones de transformadores interiores de 10 kV, y constituyen la principal evidencia del cumplimiento normativo. Este proceso comienza antes de eso con la puesta en tensión y se extiende hasta la validación eléctrica y mecánica completa.

Inspección previa a la puesta en servicio: verificación de la placa de características, integridad visual y comprobaciones de humedad

Antes de encender cualquier cosa, debemos asegurarnos de que todo esté físicamente listo para su puesta en servicio. Los técnicos deben verificar primero la información de la placa de características, examinando aspectos como las relaciones de tensión, los niveles de impedancia, los grupos vectoriales y las clases de refrigeración, comparándolos con lo aprobado durante la fase de diseño. Una inspección visual exhaustiva incluye revisar los aisladores para detectar grietas o desgaste, confirmar que los terminales están correctamente apretados con el par especificado, comprobar que las juntas estén aún herméticamente selladas y buscar cualquier daño ocasionado durante el transporte o la manipulación. Sin embargo, uno de los aspectos más importantes es medir los niveles de humedad en los materiales aislantes basados en papel. Para ello se emplean ensayos como la espectroscopía en el dominio de la frecuencia o la corriente de polarización decaída. Si se detecta una humedad superior al 1,5 %, es necesario secar el sistema, ya que una cantidad excesiva de agua puede reducir casi a la mitad la vida útil del aislamiento, según investigaciones publicadas el año pasado por Doble Engineering. Además, recuerde que todos estos resultados de ensayo deben cumplir los requisitos establecidos en normas industriales como IEEE C57.12.90 e IEC 60076-3 al evaluar si el equipo supera el control de calidad.

Pruebas eléctricas críticas: resistencia de aislamiento, relación de transformación, resistencia de devanados y análisis de respuesta en frecuencia barrida (SFRA)

Tras la inspección, las pruebas eléctricas normalizadas confirman la integridad funcional:

• Resistencia de aislamiento (IR): Medida con un megóhmetro de 5 kV; los resultados se corrigen según la temperatura y se comparan con el valor de referencia o con los umbrales de la norma IEEE 902 para detectar contaminación o entrada de humedad
• Relación de transformación (TTR): Verifica la precisión de la transformación de tensión dentro de ±0,5 % del valor nominal indicado en la placa de características, lo que permite identificar una mala alineación del cambiador de tomas o fallos en los devanados
• Resistencia de devanados: Detecta conexiones flojas o trayectorias asimétricas de los devanados mediante micro-ohmímetros de corriente continua; las desviaciones superiores al 2 % entre fases requieren investigación
• Análisis de respuesta en frecuencia barrida (SFRA): Establece una «huella mecánica» comparando las respuestas de amplitud y fase en el rango de frecuencias de 1 kHz a 2 MHz; desplazamientos superiores a 3 dB indican movimiento del núcleo, deformación de los devanados o fallo en el sistema de sujeción

Colectivamente, estas pruebas cumplen con el Artículo 450.6 de la NEC, la norma OSHA 1910.303 y los protocolos de puesta en servicio exigidos por las aseguradoras, documentando la debida diligencia antes de la primera energización.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los requisitos de separación para instalar un transformador interior de 10 kV?

Garantizar separaciones adecuadas es fundamental para la seguridad y el mantenimiento. Los espacios frontales y traseros deben estar entre 1,5 y 3 metros, los laterales entre 1 y 1,5 metros, y las separaciones verticales superiores entre 1,8 y 2,5 metros.

¿Cuáles son las diferencias clave entre los transformadores en seco y los transformadores sumergidos en aceite?

Los transformadores en seco tienen una huella más reducida, requiriendo aproximadamente un 30 % menos de espacio que los transformadores sumergidos en aceite. Necesitan zonas de climatización integradas, mientras que los transformadores con aceite exigen conductos de extracción independientes. Además, los transformadores con aceite deben contar con separadores contra incendios y depósitos para contención del aceite.

¿Cómo afectan los métodos de refrigeración a las instalaciones de transformadores?

La elección del método de refrigeración adecuado, como la convección natural o la refrigeración forzada por aire, afecta la eficiencia y la durabilidad del transformador. Una canalización y ventilación adecuadas son fundamentales, y la modelización térmica puede ayudar a adaptar las necesidades de refrigeración a los requisitos de carga.

¿Qué implica el proceso de inspección previa a la puesta en servicio?

La inspección previa a la puesta en servicio incluye la verificación de la información indicada en la placa de características, la realización de inspecciones visuales para comprobar la integridad física y la medición de los niveles de humedad en los materiales aislantes. Si la humedad supera los límites establecidos, es necesario secarlos para evitar la degradación del aislamiento.