Guía de selección de transformadores solares para Arabia Saudita: diseño para proyectos fotovoltaicos de alta temperatura
El año pasado, tras completar la entrega integral de subestaciones compactas para un proyecto solar de 300 MW en la región de Al Khafji, en Arabia Saudita, el supervisor de obra hizo un comentario que me marcó:
“La curva de aumento de temperatura de este lote de transformadores solares es en realidad más plana a 50 °C de lo que se indicó en los documentos de licitación”.”
Detrás de ese comentario hubo más de cuarenta días de puesta en marcha a alta temperatura, tres rondas de optimización del diseño e innumerables aclaraciones técnicas con el propietario del proyecto. He recopilado estas experiencias aquí para proporcionar una referencia práctica a los ingenieros y equipos de proyecto que actualmente trabajan en proyectos solares en Oriente Medio.
1. Requisitos especiales para transformadores elevadores en proyectos solares en Arabia Saudita
Las plantas de energía solar a gran escala en Arabia Saudita utilizan comúnmente inversor central + elevación de tensión centralizada configuración o una inversor de cadena + elevador centralizado configuración.
En ambos casos, el transformador elevador se instala entre la salida de CA del inversor y el punto de conexión a la red, elevando la tensión de 690 V o 1140 V a 33 kV o 110 kV.
La potencia nominal del transformador en sí no suele ser la parte más difícil del proceso de selección. El verdadero desafío proviene de diversas condiciones operativas locales y requisitos del proyecto que afectan directamente al diseño del transformador:
Temperatura ambiente: La norma IEC 60076 se basa en una temperatura ambiente máxima de 40 °C en condiciones normales de servicio, mientras que las temperaturas extremas de verano en emplazamientos de proyectos en el interior de Arabia Saudí pueden alcanzar alrededor de 52 °C, particularmente en áreas cercanas a Riad. Por lo tanto, la capacidad del transformador debe volver a verificarse frente a los límites de aumento de temperatura de 65 °C o 75 °C especificados y las condiciones ambientales reales del emplazamiento.
Capacidad de sobrecarga: El perfil de carga de una planta de energía solar difiere del de una carga industrial convencional. Durante los períodos de alta irradiación solar alrededor del mediodía, el transformador puede operar a una carga alta sostenida durante varias horas. Si se requiere una capacidad de sobrecarga de corta duración de 1,1 o 1,2 veces la carga nominal, esta debe verificarse con respecto a las especificaciones del proyecto, la temperatura ambiente y el modelo térmico definido en la norma IEC 60076-7. No debe simplemente copiarse de las suposiciones de sobrecarga utilizadas para un transformador de distribución convencional.
Impedancia de cortocircuito: La impedancia de un transformador elevador solar de 33 kV debe determinarse junto con la capacidad de cortocircuito en el punto de conexión a la red, las características de corriente de falla del inversor y la capacidad de interrupción de la aparamenta. Una impedancia más alta ayuda a limitar la corriente de falla, pero también afecta la regulación de tensión. Por lo tanto, el valor final de impedancia debe confirmarse mediante el estudio de cortocircuito del proyecto en lugar de seleccionarse como un parámetro aislado del transformador.
Grado de protección: El índice de protección IP requerido para subestaciones compactas y armarios de control en exteriores debe cumplir con la especificación técnica del proyecto. En entornos desérticos, el índice IP por sí solo no ofrece una visión completa. Es necesario considerar el sellado de puertas, los filtros de ventilación, las medidas anticondensación dentro de las cajas de control y la capacidad real de disipación de calor de los radiadores tras la acumulación de arena.
2. Referencia de selección de transformadores para plantas solares de diferentes tamaños
Las siguientes configuraciones son referencias anonimizadas basadas en soluciones de proyectos anteriores de Zisheng Electric. No deben considerarse un diseño estándar para todos los proyectos solares en Arabia Saudita. La configuración final depende del tamaño del bloque del inversor, la relación CC/CA, el voltaje del sistema colector y el esquema de conexión a la red.
| Capacidad de la planta solar | Voltaje de salida del inversor | Disposición de elevación | Potencia del transformador por unidad | Voltaje del lado de alta tensión (AT) | Grupo Vectorial | Método de Refrigeración | Cantidad típica |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 50–80 MW | 690 V | Elevación de una etapa | 3.15 MVA | 33 kV | Dyn11 | ONAN | 18–22 unidades |
| 100–200 MW | 1,140 V | Elevación de una etapa | 4.5 MVA | 33 kV | Dyn11 | ONAN | 30–40 unidades |
| 300–500 MW | 1,140 V | Elevación de una etapa | 6.3 MVA | 33 kV | Dyn11 | ONAN / ONAF | 55–75 unidades |
| 600 MW–1.2 GW | 1,140 V | Elevación de dos etapas | 6.3 MVA (primera etapa) / 150 MVA (segunda etapa) | 33 kV / 110 kV | Dyn11 / YNd11 | ONAF / OFAF | 100–160 unidades + 2–4 transformadores principales |
Es necesario aclarar algunos puntos.
A elevación de una sola etapa disposición significa que la salida del inversor se eleva directamente a la tensión de conexión a la red, normalmente 33 kV o 110 kV.
A elevación de dos etapas disposición significa que la salida del inversor se eleva primero a un sistema colector de 33 kV dentro de la planta solar. La energía recolectada se transfiere luego a través de un transformador de potencia principal y se eleva nuevamente a 110 kV o 220 kV para su transmisión a la red.
Los grandes proyectos solares en Arabia Saudita, particularmente aquellos que se acercan a la escala de gigavatios, utilizan comúnmente una arquitectura de elevación de dos etapas para reducir las pérdidas del sistema colector y respaldar la conexión centralizada a la red. En esta disposición, el transformador principal de la segunda etapa también puede requerir un cambiador de tomas bajo carga (OLTC) para gestionar la variación de la tensión de la red entre los picos de generación diurnos y los períodos de menor producción.
3. Aplicaciones de los tres tipos comunes de transformadores
Actualmente se utilizan tres rutas técnicas en los proyectos solares de Arabia Saudita, cada una con un límite de aplicación bastante claro.
1. Transformadores sumergidos en aceite (ONAN/ONAF)
Estas siguen siendo la opción principal para proyectos solares a gran escala en Arabia Saudita y representan más del 80% de nuestras unidades suministradas. Sus ventajas son directas: gran capacidad de sobrecarga, coste controlable y un sistema de mantenimiento maduro.
Para los proyectos solares en el desierto, los puntos que merecen más atención son la estructura de sellado del tanque, resistencia a altas temperaturas de los materiales de sellado, protección de los accesorios y el riesgo de fugas de aceite tras ciclos térmicos prolongados y repetidos. Los armarios de control y las cajas de terminales deben utilizar el nivel de protección IP o NEMA adecuado especificado por el proyecto.
En un proyecto el año pasado, se seleccionaron anillos de sellado convencionales para reducir costes. Tras tres meses de funcionamiento, entró arena y polvo en el aceite del transformador, y el factor de disipación dieléctrica aumentó del 0,3% al 1,2%. Las unidades afectadas tuvieron que ser reparadas en toda la planta. Al final, el coste fue aproximadamente tres veces mayor que si se hubieran utilizado mejores materiales de sellado desde el principio.
2. Transformadores de tipo seco (resina fundida)
Los transformadores de tipo seco son adecuados para subestaciones de conmutación interiores o puntos de elevación de tensión cercanos a zonas residenciales, donde la seguridad contra incendios es una prioridad y no se desea instalar un foso de contención de aceite.
La limitación reside en el rendimiento térmico. A una temperatura ambiente de 50 °C, la capacidad de refrigeración de un transformador de tipo seco puede disminuir notablemente. Por lo tanto, para la misma carga del proyecto, podría requerirse un transformador de mayor potencia; por ejemplo, una carga de 4,5 MVA puede necesitar una unidad de tipo seco de 5,5 MVA, dependiendo de los límites de aumento de temperatura especificados y las condiciones de instalación.
La resina epoxi también enfrenta riesgos de envejecimiento acelerado bajo temperaturas altas sostenidas y una fuerte exposición a la radiación ultravioleta. Por ello, las instalaciones en exteriores requieren una protección adecuada mediante sombreado o cerramientos, lo que añade un nivel adicional de costes de obra civil e instalación.
3. Transformadores con aislamiento de éster natural
En los últimos dos años, algunos proyectos de mayor especificación en Arabia Saudí, incluidos los desarrollos asociados a NEOM, han comenzado a especificar fluidos aislantes de éster natural.
El éster natural tiene un punto de combustión superior a 300°C, es biodegradable y puede ofrecer ventajas en el rendimiento del envejecimiento del aislamiento en comparación con el aceite mineral convencional.
El inconveniente radica en la cadena de suministro y el coste. Todavía hay relativamente pocos fabricantes en China que puedan suministrar de forma constante transformadores solares de éster natural para los requisitos de grandes proyectos. Los plazos de entrega suelen ser de seis a ocho semanas más largos que los de las unidades de aceite mineral convencionales, mientras que los precios pueden ser entre un 25% y un 30% más altos.
A menos que el propietario tenga un requisito claro de sostenibilidad, seguridad contra incendios o certificación medioambiental, normalmente trataríamos el éster natural como una opción alternativa en lugar de la recomendación predeterminada.
4. Tres problemas de interfaz que suelen pasarse por alto en las especificaciones de proyectos solares en Arabia Saudita
① El rango de derivación no debe seguir simplemente la configuración estándar
② El método de puesta a tierra del sistema de 33 kV debe confirmarse durante la etapa de diseño
③ Los valores de pérdida garantizados deben incluirse en el acuerdo técnico y verificarse durante las pruebas de aceptación en fábrica (FAT)
5. Comentarios sobre el funcionamiento real de los proyectos de Zisheng Electric en Arabia Saudita
En cuatro proyectos solares ya puestos en marcha en Arabia Saudí, con una capacidad combinada de aproximadamente 1,2 GW, hemos recopilado varias observaciones operativas de las instalaciones transformadores solares que merece la pena compartir.
Margen de aumento de temperatura: Los transformadores diseñados en torno a un límite de aumento de temperatura de 65 K registraron temperaturas del aceite superior de aproximadamente 92–95°C a plena carga con una temperatura ambiente de 52°C, dejando un margen razonable por debajo del umbral de alarma de 105°C.
Dos detalles de fabricación tuvieron una influencia notable en el resultado térmico: la estructura de guiado de aceite del devanado y la espaciado entre los radiadores de panel.
Si el espaciado del radiador es demasiado estrecho, la acumulación de arena puede restringir el flujo de aire. Si es demasiado ancho, el área de disipación de calor disponible se vuelve insuficiente para la misma huella de instalación. Tras tres iteraciones de diseño, nos decidimos por un espaciado de radiador de aproximadamente 45 mm para esta configuración de proyecto.
Fiabilidad de los accesorios: Componentes como relés de gas, dispositivos de alivio de presión e indicadores de nivel de aceite tienden a presentar una tasa de fallos mucho mayor bajo las condiciones de alta temperatura de Arabia Saudita que en nuestros proyectos nacionales. Ahora utilizamos carcasas totalmente de acero inoxidable como estándar para estos accesorios, y todos los anillos de sellado se han actualizado a fluoroelastómero FKM. El costo adicional es de aproximadamente el 2%, pero la tasa de reemplazo de accesorios ha disminuido de aproximadamente el 12% en nuestros primeros proyectos a menos del 1%.
Transporte y posicionamiento en el sitio: El tramo final de transporte terrestre para los proyectos en Arabia Saudita, generalmente desde el puerto de Dammam hasta el sitio del proyecto, puede ser exigente debido a que las condiciones de las carreteras no siempre son ideales.
Nuestra práctica actual es transportar el tanque del transformador bajo 0.02–0.03 MPa de presión de nitrógeno seco. Después de colocar la unidad en su base, permitimos que repose durante al menos 48 horas antes del llenado de aceite, dando tiempo suficiente para que cualquier partícula fina perturbada durante el transporte se asiente.
Puede parecer un procedimiento conservador, pero nos ha ayudado a evitar dos rondas adicionales de filtración de aceite en el sitio.
6. Recomendaciones de configuración para el mercado saudí
Si actualmente está preparando una licitación de transformadores o realizando una revisión técnica para un proyecto en Arabia Saudita, los siguientes puntos pueden ser útiles.
No dimensione el transformador justo en el límite calculado: Seleccionar un transformador exactamente a 1.0 veces la carga calculada deja muy poco margen operativo. Para proyectos en Arabia Saudita, generalmente recomendamos considerar un factor de dimensionamiento de alrededor de 1.15–1.20, sujeto a la especificación real del proyecto y al estudio térmico.
Muchos proyectos especifican una temperatura ambiente de diseño de alrededor de 45 °C. Sin embargo, en la práctica, la condición más exigente suele producirse entre las 14:00 y las 16:00 horas, cuando la irradiación solar es más intensa, la potencia del inversor está cerca de su pico y la temperatura ambiente también es máxima. Esta es una condición operativa coincidente típica. Si el margen térmico es demasiado pequeño, es posible que el transformador deba funcionar con una carga reducida.
Distancia de fuga del aislador de alta tensión: La distancia de fuga para proyectos en Arabia Saudita no debe seleccionarse simplemente basándose en el nombre del país. Las zonas costeras con niebla salina, las zonas con polvo desértico y las ubicaciones con contaminación industrial pueden presentar condiciones de contaminación muy diferentes.
Por lo tanto, el aislamiento externo debe seleccionarse de acuerdo con la severidad de la contaminación real del sitio y los principios de IEC 60815. Para sistemas de 33 kV, recomendamos definir claramente la distancia de fuga del aislador, el material de las faldas y la base de diseño del nivel de contaminación durante la etapa de acuerdo técnico.
Protocolo de interfaz de comunicación: SEC requiere que las señales del transformador inteligente (incluyendo la temperatura del aceite, la temperatura del devanado, el estado del relé de gas, la presión y la posición del cambiador de tomas) se transmitan al nivel de control de la estación a través de IEC 61850 GOOSE comunicación.
Por lo tanto, el modelo de IED y la versión de la pila de protocolos deben confirmarse al inicio del proyecto. Si esto se deja para la puesta en servicio, es posible que se requiera una pasarela de conversión de protocolo adicional, lo que aumenta tanto el costo como otra interfaz que debe ser probada.
Estrategia de repuestos: Para proyectos críticos, recomendamos mantener un transformador de repuesto del mismo diseño en el sitio, o al menos un conjunto de partes activas de repuesto que consista en los devanados y el núcleo.
Para los proyectos en Arabia Saudita, el período desde la identificación de un problema grave en el transformador hasta la recepción de una unidad de reemplazo desde China puede superar fácilmente los 45 días, una vez que se incluyen la preparación de la fabricación, el transporte marítimo y el despacho de aduanas. La pérdida de ingresos durante una interrupción prolongada puede ser mucho mayor que el costo de compra de un transformador de repuesto.
Un transformador elevador solar no suele ser el equipo más costoso en una planta de energía fotovoltaica, pero puede convertirse en uno de los componentes más gravosos cuando falla.
Una interrupción no planificada puede afectar la disponibilidad de la planta, el cumplimiento de las normativas de la red y los ingresos del proyecto. Por esta razón, preferimos tratar el transformador como un equipo de larga duración que debe adaptarse al entorno local en lugar de simplemente suministrarse según un diseño de catálogo estándar.
Desde la selección del grado de acero eléctrico y el control de las propiedades del aceite aislante hasta la resistencia a los rayos UV del sistema de recubrimiento externo, cada detalle del diseño debe revisarse en función de las condiciones operativas de Arabia Saudita. Se pueden eliminar algunos márgenes innecesarios, mientras que los puntos débiles expuestos por el entorno local deben reforzarse.
Zisheng Electric puede brindar asistencia en la selección de transformadores, revisión de desviaciones técnicas, documentación de fabricación, pruebas de aceptación en fábrica (FAT) y coordinación de entregas de exportación según las especificaciones técnicas del proyecto, el diagrama unifilar (SLD) y las condiciones reales del sitio.
Nuestra gama de productos incluye Transformadores Sumergidos en Aceite, Transformadores Montados en Base, Transformadores Montados en Poste ， Transformadores de tipo seco,y equipos de distribución de energía relacionados.
Si está trabajando en un proyecto específico en Arabia Saudita y tiene dudas sobre la selección de un transformador o un requisito técnico, envíenos los parámetros del proyecto y los revisaremos directamente. Algunos problemas de ingeniería se resuelven mucho más rápido mediante una discusión técnica enfocada que a través de otra ronda de revisiones de documentos.
Nuestro equipo de ingeniería responde a las consultas de proyectos en un plazo de 24 horas.
Acerca de ZISHENG ELECTRICAL
Zisheng somos un fabricante profesional con más de 19 años de experiencia en la producción de Transformadores Sumergidos en Aceite, Subestación Compacta, Transformadores Montados en Base, Transformadores Montados en Poste y Transformadores de Tipo Seco. Poseemos los certificados de ISO/CE/IEC 60076 y TUV Rheinland.
Los transformadores pasan por rigurosas pruebas FAT y de tipo, y apoyan la personalización de voltaje/capacidad. Bienvenido a consultar por Catálogo y Producto. puede contactarnos por correo electrónico [email protected].
