Selección del transformador de alimentación costera: Especificación de la alimentación de 'Cold Ironing' para muelles de 6,6 kV y 11 kV

 

 

La licitación llegó como veinte páginas de obras civiles y una sola línea sobre el alcance eléctrico: suministro e instalación de energía en tierra de 6,6 kV. Preguntamos al ingeniero eléctrico del puerto a qué frecuencia operaba la flota visitante. Hubo una pausa y luego la respuesta: la que sea estándar. Esa única pregunta sin responder determina la clasificación del transformador de alimentación desde tierra , si el muelle necesita o no un convertidor estático de frecuencia y si un buque de cruceros puede realmente conectarse al llegar.

El ‘cold ironing’ ha pasado de ser un ítem de proyecto piloto a una condición de permiso en un número creciente de puertos, y normalmente el paquete eléctrico es la parte que se redacta al final y se revisa menos. Esta guía aborda lo que un transformador de alimentación desde tierra debe soportar en un muelle, qué valores deben incluirse en la especificación y los detalles sobre armónicos y corrosión que determinan si la unidad sigue en servicio tras quince años de exposición al aire salino.

La carga de ‘cold ironing’ no es una carga de edificio

Un barco atracado apaga sus motores auxiliares y toma toda su energía de la red terrestre: carga hotelera, unidades refrigeradas (reefers), bombas, grúas en buques con sistema de descarga propia y, en un crucero, toda la carga de climatización (HVAC) y cocina. La demanda máxima es elevada y se produce de forma instantánea. Normalmente, un muelle para cruceros se diseña para una potencia de aproximadamente 7,2 MVA a 6,6 kV, lo que equivale a una corriente secundaria de unos 630 A, mientras que un muelle para contenedores con baterías de reefers suele requerir entre 1,5 y 3 MVA.

Además, la tarea presenta una repetitividad que nunca experimenta un transformador de distribución. Cada conexión de buque energiza el transformador terrestre y luego el transformador propio del buque, por lo que las corrientes de conexión (inrush) ocurren varias veces al día, a veces con cables de 200 a 400 m entre la caja de conexión en el muelle y el buque. Si además se suman temperaturas ambientales de 45 °C en un puerto del Golfo, una humedad relativa del 90 % y una vida útil prevista de 20 a 30 años, el margen térmico que parecía generoso en la hoja de datos comienza a verse ajustado.

 

Tensión, frecuencia y la decisión sobre el convertidor

La conexión terrestre de alta tensión está normalizada en IEC/IEEE 80005-1 , y la enmienda de 2021 a dicha norma existe en gran medida porque la rotación de fases en la interfaz buque-muelle causó problemas en servicio. La conclusión práctica para un comprador de transformadores es más limitada: el muelle debe suministrar el voltaje y la frecuencia que el buque espera, y el transformador es solo una parte de esa cadena.

Tres configuraciones cubren la mayoría de las licitaciones, y exigen tres especificaciones diferentes de transformadores.

 

Configuración del muelle	Función del transformador	Qué cambia en la especificación
red de 60 Hz, flota de 60 Hz	Solo reducción de tensión, p. ej., de 33 kV a 6,6 kV	Más cercano a una unidad de distribución normal: impedancia estándar, refrigeración ONAN o ONAF, pintura C5-M para atmósfera marina
red de 50 Hz, flota de 60 Hz	Alimenta un convertidor estático de frecuencia o se conecta a la salida del convertidor	Corriente rica en armónicos, desplazamiento de continua en la salida del convertidor, mayores pérdidas por corrientes parásitas y pérdidas dispersas, auxiliares como ventiladores y bombas en el lado del convertidor
red de 50 Hz, flota de 50 Hz (transbordadores, buques ro-ro)	Solo reducción de tensión, p. ej., de 11 kV a 6,6 kV	Relación de tensión y rango de tomas dimensionados para la flota real, no para una futura

 

Cuando las frecuencias coinciden, un transformador de alimentación desde tierra es un transformador de distribución o de potencia convencional con una especificación inusual de resistencia a la corrosión. Cuando no coinciden, el transformador se ubica aguas abajo de un convertidor y hereda su forma de onda. Ese segundo caso es donde reside la mayor parte del riesgo ingenieril y donde una evaluación estándar de pérdidas pasa inadvertidamente a ser incorrecta.

 

Donde los armónicos afectan al transformador

Los rectificadores de entrada de los barcos son la fuente. Una configuración de seis pulsos genera armónicos característicos de quinto y séptimo orden; una configuración de doce pulsos desplaza los órdenes dominantes al undécimo y decimotercer orden. Esas corrientes atraviesan el transformador, y las pérdidas por corrientes parásitas en los devanados aumentan aproximadamente con el cuadrado del orden armónico, por lo que el undécimo y el decimotercer orden provocan mucho más calentamiento por amperio que la fundamental.

Dos valores deben figurar en la especificación. El primero es una tolerancia de pérdidas armónicas, expresada bien como factor K o bien como un espectro armónico declarado que el equipo debe soportar a su corriente nominal sin superar su elevación de temperatura. El segundo es el límite de distorsión de tensión en el punto de acoplamiento común, donde Los límites armónicos IEEE 519 establecen un 5 % de distorsión armónica total para sistemas entre 1 kV y 69 kV. Un muelle de 6,6 kV se encuentra plenamente dentro de ese rango.

Aquí está la parte que la mayoría de las especificaciones de puerto omiten. Elevar la impedancia del transformador para controlar la corriente de cortocircuito también eleva la distorsión de tensión para la misma corriente armónica, porque una mayor parte de la distorsión aparece a través del propio transformador. La impedancia, el número de pulsos del convertidor y el diseño del filtro deben elegirse conjuntamente. Cuando llega una consulta de atraque con una impedancia del 8 %, un convertidor de doce pulsos y sin filtro, marcamos dicha combinación antes de emitir una oferta.

 

Sal, humedad y entorno del atraque

Un atraque es un emplazamiento costero con una atmósfera inusualmente agresiva: niebla salina, humedad de marea, humos de escape de diésel y limpieza con manguera cerca del edificio del terminal. Para instalaciones al aire libre en el muelle, el sistema de pintura debe especificarse según la categoría C5-M de la norma ISO 12944, empleando acero inoxidable 316 para los elementos de fijación expuestos y una base para el depósito que no se oxide hasta perforarse en los puntos de anclaje. Las estructuras básicas con galvanizado en caliente son comunes, y solicitamos el espesor del recubrimiento en micrómetros, no el nombre del color.

La carcasa y el sistema de refrigeración dependen de la ubicación. Las unidades sumergidas en aceite son adecuadas para una plataforma exterior junto al muelle; las unidades secas de resina moldeada son adecuadas para el edificio terminal interior, donde la carga de incendio y el tendido de cables favorecen una unidad sin líquido. En ambos casos, especifique como mínimo grado de protección IP54, calefactores anticondensación en el compartimento de baja tensión y una clase de elevación térmica que se mantenga a la temperatura ambiente del emplazamiento, no a la temperatura ambiente por defecto de 40 °C indicada en el catálogo.

Un detalle que señalamos temprano, porque su corrección resulta costosa más adelante: la avería de los ventiladores. Una unidad ONAF cuya potencia nominal se especifica para la carga total del muelle con los ventiladores en funcionamiento perderá entre un 25 % y un 30 % de su capacidad si un motor de ventilador se atasca en agosto. Por tanto, o bien especifique una alarma por grupo de ventiladores conectada al sistema de monitorización del puerto, o bien dimensione la potencia nominal ONAN para la carga continua realista y considere la etapa de refrigeración forzada como margen adicional para cubrir picos de carga del hotel.

 

 

 

Qué incluir en el Transformador de alimentación desde tierra Especificación

La tabla siguiente contiene el conjunto mínimo de datos que necesitamos antes de poder cotizar adecuadamente un amarre. Las líneas faltantes se asumen, y dichas suposiciones generan órdenes de cambio. Cuando una línea también aparece en la norma IEC/IEEE 80005-1, indique la cláusula correspondiente junto a ella, para que el proveedor y el inspector portuario interpreten el mismo requisito.

 

Parámetro	Requisito típico de amarre	Por qué es importante
Potencia nominal	7,2 MVA por amarre para cruceros; 1,5 a 3 MVA por amarre para contenedores	Determina todo el diseño térmico y el calibre del cable desde la caja de amarre
Relación de Voltaje	tensión primaria de 33 kV o 11 kV y tensión secundaria de 6,6 kV o 11 kV	Debe coincidir con el tablero eléctrico del buque, no con la red portuaria
Frecuencia	60 Hz para una flota de 60 Hz, 50 Hz para una flota de 50 Hz; convertidor donde existan diferencias	Determina si un convertidor —y su espectro armónico— forma parte del diseño
Impedancia	del 6 al 8 % típico, coordinado con el nivel de cortocircuito	Un valor demasiado bajo provoca corrientes de cortocircuito excesivas en el tablero del buque; uno demasiado alto incrementa la distorsión de tensión
Solicitación armónica	Espectro declarado o factor K, 5 % de THDv en el punto de conexión común (PCC)	Evita puntos calientes en los devanados que ninguna prueba estándar de pérdidas revelará
Enfriamiento	Refrigeración ONAN con etapa ONAF, alarma de ventiladores para el sistema SCADA del puerto	Mantiene el muelle en servicio cuando falla un ventilador
Corrosión	Pintura C5-M según la norma ISO 12944, fijaciones de acero inoxidable 316, grado de protección IP54	Quince años de exposición al aire salino constituyen la verdadera prueba de aceptación
Pruebas	Pruebas rutinarias, ensayo de elevación de temperatura y medición de descargas parciales para transformadores de resina fundida	Proporciona al puerto un referente para comparar con la siguiente licitación

 

 

Cómo aborda Ryan una consulta sobre un muelle

Fabricamos unidades sumergidas en líquido y de resina fundida en una planta de 120 000 m² equipada con más de 180 conjuntos de equipos de producción y ensayo, respaldada por 37 patentes; desde 2023 operamos como socio de empresa conjunta de Eaton. Esto tiene menor relevancia que la conversación técnica, pero sí significa que una consulta sobre un muelle llega a personas que ya han debatido sobre impedancias.

Para una flota mixta, la opción útil es una tensión secundaria dual con selección de enlaces de derivación fuera de circuito, de modo que un solo diseño sirva a embarcaciones de 6,6 kV y 11 kV sin necesidad de tener una segunda unidad de repuesto en el lugar. Los enlaces de derivación fuera de circuito también constituyen la forma más económica de cubrir una tensión de red que varía respecto del valor especificado en los planos. Cada unidad sale con las pruebas rutinarias registradas como valores medidos, una prueba de elevación de temperatura realizada a corriente nominal y una fotografía de la placa de características tomada antes del embalaje, ya que dicha placa es lo primero que un inspector portuario lee al llegar.

La interfaz de conexión eléctrica de alta tensión en tierra es donde se producen la mayor parte de los debates, y normalmente los protagonizan tres partes que nunca se reúnen: el consultor eléctrico del puerto, el gestor técnico del buque y el proveedor del transformador. Solicitamos temprano el diagrama unifilar del buque. Un convertidor de doce pulsos a bordo modifica la carga armónica en nuestro devanado, y un buque con un tablero de distribución de 6,6 kV y un generador de 60 Hz no puede ser atendido desde una plaza de atraque de 50 Hz sin un convertidor, por muy generosa que parezca la potencia nominal del transformador en papel.

Si está redactando ahora la especificación de una plaza de atraque, envíenos la composición de la flota, la tensión y frecuencia de la red eléctrica, y el nivel de cortocircuito en la caja de conexión de la plaza de atraque. Esas tres entradas determinan más aspectos del transformador de alimentación desde tierra que cualquier otra página del pliego de condiciones, y suelen ser justamente las tres que llegan más tarde. Nuestros ingenieros responderán por escrito con una potencia nominal, una recomendación de impedancia y un límite de armónicos, para que el paquete eléctrico pueda revisarse antes de ejecutar las obras civiles.

Sobre el autor este artículo fue elaborado por el equipo de ingeniería de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), un fabricante de transformadores fundado en 2007 y socio de empresa conjunta de Eaton desde 2023. El equipo diseña transformadores sumergidos en aceite, de resina moldeada y montados sobre pedestal para proyectos portuarios, centros de datos, servicios públicos e industriales, y brinda apoyo a los clientes mediante la revisión de especificaciones antes de la licitación. Para consultas sobre amarres, contacte a [email protected].