Douglas Getson, P.E. - Gerente de product global

Transformadores Inmersos en Aceite Eficiencia en redes de distribución © ABB Group May 26, 2014 | Slide 1

Transformador Verde Temas

May 26, 2014 | Slide 2

1.

Eficiencia del transformador

2.

Costo de pérdidas del transformador

3.

Fluidos ésteres

4.

Rendimiento sobre la inversión

5.

Programa de transformador verde

Transformadores de Distribución Impacto Significativo en el Sistema

© ABB Group May 26, 2014 | Slide 3



Las pérdidas en transformadores de distribución (DTR) representa una parte considerable de las perdidas totales en las redes de distribución.



En Europa las pérdidas en transmisión y distribución representan el 7% del total de la potencia generada con una representación del 25% en DTR de las pérdidas totales.



Típicamente, los transformadores DTR tienen en promedio una carga variable de 10-60%. Por lo tanto las pérdidas en vacío pueden ser un componente significativo de las pérdidas totales de los transformadores DTR.



Cargas promedio de gran variabilidad, hacen que sea importante evaluar en base al costo total del bien, de esta forma se puede definir la solución más económica.

Transformadores de Distribución Estructura de las Pérdidas de Transformadores Efficiency Categories “Ultra high”  India 5 Star  China S15 “Very high”  Australia Hi efficiency 2010  India 4 Star  Europe AkAo “High”  Australia Min efficiency 2010  India 3 Star  China S13  USA DOE 2010  Europe BkBo “Average”  Australia Min efficiency 2004  India 2 Star  China S11  Europe CkCo “Low”  India 1 Star  China S9  Europe DkDo and below

Alcance 

La eficiencia se establece mediante un porcentaje mínimo de eficiencia o perdidas en el transformador.



Comparar la eficiencia requiere establecer un factor de carga que para transformadores normalmente se establece en 50%

Comentarios a las Categorias 

“Ultra High” require alternativas de materiales del núcleo como el amorfo.



“High” es un estandar global.



“Average” and “Low” son valores utilizados con poca frecuencia.



Establecer la eficiencia de un transformador genera que los fabricantes de transformadores tengan más libertad en los diseños que cuando se establecen pérdidas

Eficiencia del transformador Definición ( L  kVA  PF ) 105 % Eficiencia  ( L  kVA  PF 103 )  NL  ( LL  L2 ) L = carga por unidad, kVA = capacidad, PF = factor de potencia NL = perdidas sin carga, LL = perdidas con carga

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

El costo verdadero de un transformador es la suma del precio de compra inicial más el costo de operación en su vida útil 20-30 años



Los transformadores de distribución son muy eficiente, (+98%) sin embargo utilizan una cierta energía internamente para funcionar



Los dueños y operadores deben considerar esto cuando están especificando y evaluando la compra del transformador



El costo final del transformador será más que el precio de compra (considerando los costos por pérdidas)

Perfil de Pérdidas del Transformador Pérdidas totales varian según la carga del transformador Transformer Losses vs. Load 14,000 No‐Load

Losses  (kWatts)

12,000

Load Losses

10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0 0%

20%

40%

60%

80%

100%

% Transformer Load



Como las pérdidas en vacío son constantes el impacto de estas perdidas no son significativas cuando el transformador esta con carga.



Las pérdidas bajo carga se incrementan cuadráticamente cuando el transformador esta con carga.



Las pérdidas en vacío son mayores que las perdidas bajo carga cuando los transformadores están cargados a valores menores al 65%



Pérdidas totales = (Perdidas en Vacio) + (Perdidas con Carga x (%kVA)2)

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Costo total del transformador Costo de pérdidas

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Costo total del transformador Definición 

El costo total de un transformador es la suma de: 1. 2. 3. 4.



Precio de compra Costo de instalación y comisionamiento Costo de operación y mantenimiento durante su vida útil Costo de emissiones (dependiendo de la regulación)

Los costos de operación y mantenimiento de un transformador debe ser calculado al valor actual o costo futuro. 

Para calcular el valor actual, se debe saber el costo de dinero (tasa de discunto) y el número de años futuros.

La decisión de compra requiere un balance correcto entre el precio de compra y los costos futuros para la operación del transformador © ABB 22/07/2009 | Slide 8

Diseño Optimo del transformador Menores costos de operación 

El diseño óptimo es cuando la suma del precio de compra y los costos de operación (costo de las pérdidas) son los más bajo.



Los menores costos de operación normalmente requieren mayores costos de fabricación.



Mayores costos de fabricación conducen a un mayor precio de compra



Para diseñar un transformador óptimo se requiere saber los costos de operación y los factores de capitalización de las pérdida.

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Costo del Transformador Costos de pérdidas (COL) 

Los gastos futuros de operación del transformador son llamados costos de pérdidas (COL)



COL esta en función a las perdidas en vacío y en carga.



El diseñador de transformador busca un diseño óptimo entre costos de producción y pérdidas.



Para un cliente de servicios públicos, menores pérdidas se traduce en menores costos de operación y el aplazamiento de la capacidad de inversiones en la generación, transmisión y distribución.



Costo de pérdidas ($) = (A x NLL) + (B x LL) 

A ($/W) = Valor actual (factor de capitalización) costo de pérdidas en vacío



B ($/W) = Valor actual (factor de capitalización) costo de pérdidas con carga



NLL (W) = Pérdidas en vacío del transformador



LL (W)

= Pérdidas en carga del transformador

 Los factores A & B son únicos para cada comprador de transformadores incluso en su respectiva industria siendo: residencial, comercial, industrial y generación. © ABB Group May 26, 2014 | Slide 10

Costos de pérdidas A &B factores de capitalización vs. carga Ejemplo: A = 8.10 USD/Watt (Pérdidas en vacío) B = 1.22 USD/Watt (Pérdidas en carga) B / A = 0.15 Una regla empírica para estimar la carga del transformador con los factores A y B: Raíz cuadra (B/A) = 39% Las letras en el gráfico indican países tales como: SA: Arabia Saudita, CH: Suiza y IE: Irlanda

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Costa total del transformador Web calculadoras

©

ABB Group

May

26, 2014 | Slide 12

www.abb.com/transformers selecciona ‘transformer calculators’

”Ultra High” Eficiencia de transformadores Núcleos amorfos reducen pérdidas en vacío hasta en un 70%

Amorphous Structure (Disordered; AM)

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

Material amorfo es un material que reduce drásticamente las pérdidas en vacío en un transformador, hasta el 70%



El material amorfo es 1/10th de espesor del acero.



La delgadez del material implica un aumento en el número de laminas del núcleo reduciendo las pérdidas en vacío.



Amorfo no tiene estructura cristalina permitiendo rapidez y facilidad de magnetizar y también reduce las pérdidas en vacío.



Fe-Si-B es la mejor combinación química para núcleo amorfo para conseguir la magnetización y propiedades físicas de enfriamiento



El boro (B) es necesario para el proceso de solidificación rápida consiguiéndose espesores de 0,000025 metros



ABB es uno de los líderes en la fabricación de transformadores amorfos utilizando una plataforma tecnológica común que asegure una producción consistente de alta calidad en todas sus operaciones

”Ultra High” Eficiencia de transformadores Transformadores amorfos tienen menores costos de operación Los cálculos de pérdidas se han realizado usando un promedio anual de carga del 40% del Transformador El costo de las pérdidas se calcularon usando el costo de la energía de 177C por kWh siendo la tarifa comercial de Eskom sudafricana frente a 61c por residenciales y 215c para los clientes industriales.

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

Los transformadores AMDT podrán entregar más energía al consumidor ya que presentan pérdidas menores entre 37-45% (cargado al 40%)



Incluso si estos transformadores fueran cargados al 100% de su potencia, sus pérdidas totales serían menores en 13% que los transformadores CRGO.



Los transformadores amorfos tienen la más alta eficiencia y el menor costo del bien para aplicaciones en donde el transformador se cargará en menos del 50% de su potencia.

Biodegradabilidad, seguridad y extensión de vida - Fluidos Esters

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Fluido Dieléctrico Ester Innovación de un fluido alternativo

s © ABB Group May 26, 2014 | Slide 16



Los ésteres llegaron al mercado en la década de 1980 como una alternativa y con propiedades biodegradables y de seguridad contra incendios.



Los ésteres son una clase de compuestos orgánicos que pueden ser sintetizados químicamente (ésteres sintéticos) o de productos agrícolas (ésteres naturales)



El éster natural tienen una huella de carbono casi neutro así como la producción de aceite de semilla de una huella negativa de CO2 (fotosíntesis)



El éster natural esta compuesto 100% de fuentes renovables.



Los ésteres naturales son reconocidos como fluidos aislantes dieléctricos amigables con en medio ambiente y menos inflamable para la industria.



Los ésteres naturales son fácilmente biodegradable en 21 días y no son tóxicos

Propiedades del Ester Natural Prueba de Biodegradabilidad en 21 días (CEC L-33-A-93) Pruebas

EPA de California bajo Norma CEC-L-33-A-93 (Periodo de máxima absorción de CH en CH2-CH3), que dio lugar a la calificación de 98-100% biodegradable. Organización de la Unidad Económica y probado por la OCDE 301B da como resultando más del 60% de CO2 después de 10 días considerado fácilmente biodegradable

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Propiedades del Ester Preservación de vida y propiedades 



Menos inflamable 

Punto caliente de 360°C, clasificándola como fluido dieléctrico “menos inflamable” por FM Global y UL y en "fluido K2", de acuerdo con la norma IEC 61100



Los gases son menos volátiles que el aceite mineral

Reduce riesgo de explosión 



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Menos gas y por lo tanto; menos presión se genera durante las fallas de arco de gran energía que reducen el riesgo de explosión y daños colaterales.

Seguridad intrínseca 

Es más difícil para iniciar incendios y se auto-extingue más rápido en comparación con los aceites minerales



Solo CO2 y H2O se producen, minimizando la contaminación del aire.

Propiedades del Ester El ester con alto grado Rigidez dieléctrica

1

Limite aceptable de acuerdo a ASTM D6871: 30 kV min

2

ESTER es una marca especifica de fluido naural vendido actualmente en el mercado.

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

La alta concentración de humedad puede conllevar a una menor rigidez dieléctrica en el sistema de aislamiento del transformador.



Menor rigidez dieléctrica del aislamiento puede conllevar a fallas en el transformador



Los fluidos éster tiene rigidez dieléctrica mucho más alta que el aceite mineral o silicona en concentraciones de humedad muy elevados



Los transformadores con años de operación presentan agua que puede ser absorbida en mayores concentraciones con el éster que con el aceite mineral. Esto conlleva algunos beneficios que pertenecen únicamente a propiedades del éster.

Propiedades del Ester Mejora en el rendimiento del Transformador Mayor afinidad para el agua

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

Mayor límite de saturación de agua que el aceite mineral



4 veces que el aceite mineral por debajo de las condiciones normales de funcionamiento



Papel impregnado de éster se convierte en una barrera para reducir la humedad absorbida en el papel



Bajos índices de envejecimiento y mayores temperaturas hotspot.



Índice de envejecimiento es muy bajo que el papel impregnado en aceite mineral



puedan funcionar a altas temperaturas hostpot 10 ° C con la misma expectativa de vida que el de papel impregnado en aceite mineral

Envejecimiento de Papel Aislante ¿Cómo definir el tiempo de vida? 



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Las características mecánicas se pierden con el tiempo 

Envejecimiento influenciado por la cantidad de oxígeno, agua, temperatura y ácidos



Grado de medida de la polimerización (DP) 

Nuevo papel impregnado entre 1000-1100 DP



Final de la vida generalmente aceptado debe ser 150-200 DP

Relación de Arrhenius - tiempo contra temperatura 

Disminuye la vida por 50% por cada subida de 6-7°C del punto caliente de la bobina en las temperaturas de funcionamiento 80-100°C



50% disminuida la vida tiene, otras relaciones de temperatura

Fluido Ester Contra el Aceite Mineral Pruebas de vida funcionales 

Extended life expectancy at same temperature

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20°C

ABB 4-25kVA 1Ф Transformadores 

2 unidades en 180°C por 2500 hrs



2 uninades en 200°C por 720 hrs



IEEE C57.91 estima 180,000 Espectativa de tiempo de vida de en el transformador con carga normal



Las unidades alcanzaron finales de la vida como DP del aislamiento entre 185 y 260 en el punto caliente de la bobina



Ventaja del sobre las unidades similares especificadas en comparación de la carga de IEEE

Líquidos Dieléctricos del Ester Reconocido por las normas internationales 

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Las normas están trabajando para incorporar los líquidos del éster y sus ventajas en los estándares 

IEEE C57-154-2012 Sistemas de aislamiento para altas temperatura Anexo B . Liquido éster y papel celulosa



IEC TS 60076-14 Materiales de aislamiento para altas temperaturas Revisión de fluidos ésteres incorporados, evaluados en el 2013



IEEE C57-147-2008 Guía de Fluido Natural Ester



IEEE PC57.155 Análisis de gases disueltos de fluido natural éster aún esta en desarrollo.

Rendimiento sobre la inversión – solución sostenible

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Estudio de caso de la energía eólica Equipo eléctrico mas crítico del colector

690 V Cable 2.3 MW Turbines 70 at $1.5 M/MW $242 MUSD

34.5 kV XLP / PVC Cable 2600 kVA Txfmr 70 at $32k each $2.24 MUSD

Valores en USD, son referenciales para este ejemplo. © ABB Group May 26, 2014 | Slide 25

100 MVA Txfmr 34.5:230 kV $1.35 MUSD

Estudio de Caso de la Energía Eólica Perfil de la Generación

 Perfil de generación basado en zona real de viento en los EEUU.  83% de horas de generación igual o menos que 37.5% de la capacidad de generación.  Se ha informado que la mayoría de zonas eólicos operan en promedio por lo menos a 50% de su capacidad durante el año

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83% annual turbine output < 37.5%

Estudio de Caso de la Energía Eólica Impacto de la material del núcleo  Núcleo amorfo tienen bajas perdidas en vacío hasta un 70% menos que el grano orientado.  Casos en vacío  GO 3,900 Watts  AM 745 Watts  %Eficiencia (LF 1.0)  RGO 99.06%  AM 99.13%  Las pérdidas en vacío están compuesta por las pérdidas por histéresis (reorientación de los momentos magnéticos 60 veces /sec) y por las corrientes de Foucault (flujo perpendicular al flujo perdido por laminación)

Grain Oriented

Amorphous

Turbine Output

Energy Sales (MWh)

Losses

Losses

Energy Sales (MWh)

100.0%

5,880

3.25%

3.17%

5,885

87.5%

68,386

2.91%

2.81%

68,462

62.5%

88,837

2.87%

2.68%

89,008

37.5%

234,890

2.52%

2.17%

235,736

12.5%

50,113

3.22%

2.11%

50,690

0.0%

-208

0.00%

0.00%

-39

447,899

2.78%

2.38%

449,741

GO MWh < AM MWh sold © ABB Group May 26, 2014 | Slide 27

Estudio de Caso de la Energía Eólica Sensibilidad de precio para vender energía Caso  Factor de capacidad  Perfil de generación  Precio promedio de energía

$70 / MWh

 ITC vs. PTC  Fijado o inversión de deuda cero No se ha considerado:  Precio de la energía diaria  Escalas  P99 dimensionamiento de la deuda  Tasa de descuento  Estructura de Transacción

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Nota: Análisis financiero realizado por Competitive Energy Insight, Inc., San Diego, CA

Programa de transformador verde

©

ABB Group 26, 2014 | Slide 29

May

Programa de Transformador Verde Soluciones tecnológicas

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Programa de transformador Verde Resumen 



Muchos transformadores de distribución serán, en promedio, cargados menos de la potencia indicada en la placa característica (kVA) 

Por lo tanto, las pérdidas en vacío son en mayor proporción de las pérdidas totales de transformadores



AMDT será la tecnología escogida para reducción de las pérdidas en vacío hasta en un 70% incrementando la eficiencia y aplazamiento las inversiones futuras de generación.

Fiabilidad de la red, la seguridad y minimizar el impacto ambiental son obligaciones sociales. 



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Sistemas de aislamiento con ésteres ofrece un mayor tiempo vida, capacidad de sobrecarga, biodegradable y aumenta la seguridad con un punto caliente de 360 ° C.

El Programa de transformador verde de ABB incorpora todos los beneficios mencionados anteriormente en su línea de transformadores Green-R-Trafo

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