Transformador para ventilación de túneles: especificación de unidades para túneles de carretera y transporte subterráneo

La avería del equipo en un túnel de carretera casi nunca comienza en el circuito de iluminación. Comienza en los ventiladores. Un ingeniero de puesta en servicio nos describió la secuencia con términos sencillos: el primer grupo de ventiladores de chorro arranca limpio, el segundo grupo funciona bien, al encenderse el tercer grupo, el bus de 480 V se hunde, el variador se desconecta por subvoltaje y la ventilación entra en estado de fallo incluso antes de que pueda comenzar la prueba de humo. El transformador para la ventilación del túnel se había dimensionado a partir de una lista de cargas. Nadie había modelado la puesta en marcha.

Esa es la parte incómoda de la alimentación eléctrica de un túnel. La mayor parte del tiempo, la carga es moderada: unos cientos de kilovatios de iluminación, unos pocos ventiladores, algunas bombas. Durante unos segundos, varias veces al día, no es en absoluto moderada. Y la misma unidad que soporta el arranque de un motor también debe resistir Armónicas de VFD las sobrecargas en los variadores de ventilación y seguir funcionando mientras un incendio arde a pocos metros de distancia.

 

¿Qué carga realmente una subestación de túnel?

Un túnel es una pequeña planta industrial que se extiende a lo largo de un kilómetro de hormigón. La ventilación domina la carga eléctrica, pero no es la única, y las distintas cargas se comportan de forma muy diferente. Aprobar un único valor en kVA sin separarlas es el origen de la mayoría de los errores de especificación.

Carga	Rango Típico	Deber	Qué implica para el dimensionamiento
Ventilador de chorro (axial, alimentado por accionamiento)	22-250 kW	Arranque/parada escalonados, cientos de ciclos al año	Corriente de rotor bloqueado y caída de tensión en el bus de baja tensión
Ventilador de ventilación de túnel	200-1 000 kW	Funcionamiento continuo, reversible para extracción de humos	Motor individual más grande; normalmente fija el límite inferior del dimensionamiento
Actuadores y controles para compuertas cortafuego	menos de 10 kW	Solo para emergencias; debe mantener la posición	Carga pequeña, pero comparte el mismo panel y circuito de UPS
Iluminación LED para túneles e iluminación de emergencia	30-350 kW	Continuo, funcionamiento al 100 %	Rico en armónicos; incrementa la corriente del neutro
Bombas de achique para sumideros	15-110 kW	Entorno intermitentemente húmedo	Arranque contra una columna de agua; riesgo de entrada de humedad
Ventilación y deshumidificadores de subestación	10-60 kW	Continuo	Aumenta la temperatura ambiente en la que se encuentra el transformador mismo
SCADA, CCTV, señalización	menos de 20 kW	Continuo	Requisito de funcionamiento continuado durante un evento de incendio

Las directrices de diseño ya tratan estas disciplinas como distintas. La Directrices de Diseño de Túneles para Carreteras de la FHWA (https://www.fhwa.dot.gov/publications/focus/05nov/03.cfm) dedican secciones independientes a la ventilación, la iluminación, las precauciones contra incendios y el diseño antisísmico, pero todos ellos confluyen en un mismo diagrama de cargas, y normalmente un solo transformador debe soportar el resultado.

 

El arranque del motor establece la capacidad mínima requerida, no la carga en régimen permanente

La carga en régimen permanente es el valor más sencillo de calcular. Basta con sumar las cargas de los ventiladores, la iluminación y las bombas, aplicar un factor de diversidad, y una unidad de 1.500 kVA parece generosa frente a un túnel de 900 kVA. Luego, hay que examinar el arranque.

Un motor de inducción estándar NEMA Design B absorbe aproximadamente seis veces la corriente nominal durante un arranque directo a la red. Por ejemplo, un motor de ventilador de chorro de 250 kW a 480 V tiene una corriente nominal cercana a los 300 A; por tanto, su corriente de rotor bloqueado es de unos 1.800 A, y se mantiene durante los dos a cuatro segundos que necesita el ventilador para alcanzar su velocidad nominal. Si se arranca un segundo grupo medio segundo después, el transformador soportará una carga que nunca volverá a experimentar durante su funcionamiento normal. Ese es el valor que determina la potencia nominal indicada en la placa.

Dos parámetros determinan si el arranque es aceptable: la impedancia porcentual del transformador y la impedancia de la alimentación. Una unidad con una impedancia del 5,75 % limita cómodamente la corriente de cortocircuito, pero provoca una caída de tensión más profunda en los bornes del motor. Una unidad del 4 % reduce dicha caída y eleva la corriente de cortocircuito prevista, lo que obliga a que la capacidad de interrupción del interruptor de baja tensión y el refuerzo del bus la absorban. En una alimentación de 700 m que llega a una sala de ventiladores situada en el centro del túnel, la impedancia del cable puede contribuir más a la caída de tensión que el propio transformador.

Experiencia práctica: realizamos el cálculo de arranque antes de que una cotización para túnel salga de la fábrica; y cuando un cliente envía únicamente una lista de cargas, le respondemos con una sola pregunta: ¿cuál es el motor de mayor potencia, cómo se arranca y cuál es la longitud del cable que lo conecta? Esta única respuesta ha modificado la potencia especificada en más proyectos de túneles que cualquier otra línea del cronograma.

 

Los armónicos generados por los VFD modifican la carga de trabajo de un transformador destinado a la ventilación de túneles

Casi todos los nuevos ventiladores de chorro están accionados por variadores de frecuencia, porque un ventilador que funciona al 30 % de su velocidad durante las horas de menor demanda amortiza el coste del variador únicamente mediante el ahorro energético. El variador también modifica la carga que el transformador ve en sus bornes secundarios.

Un variador de seis pulsos absorbe una corriente no sinusoidal cuya distorsión armónica total suele situarse entre el 25 % y el 45 % a la entrada. La norma IEEE 519 limita la distorsión de tensión al 5 % en barras con tensión inferior a 69 kV y reduce aún más el límite de distorsión de corriente conforme disminuye la corriente de cortocircuito disponible. Los túneles se ubican en el extremo incómodo de dicha curva: alimentadores largos, fuentes comparativamente débiles y varios variadores conectados a una misma barra secundaria.

La consecuencia es que un transformador que alimenta variadores de ventilación para túneles no puede especificarse únicamente en función de su potencia aparente en kVA. La corriente armónica incrementa las pérdidas por corrientes parásitas y pérdidas dispersas, lo que eleva la temperatura del punto caliente del devanado por encima de la que produciría una carga sinusoidal con la misma potencia aparente. Por eso un transformador de resina fundida en un proyecto de túnel se suele solicitar con una clasificación K, un neutro sobredimensionado o un devanado delta que atrapa armónicos tripares, junto con una clase de temperatura de devanado que deje margen por encima de la carga de diseño.

Nuestra regla empírica para tableros de túnel alimentados por variadores donde Armónicas de VFD predominan: tome la potencia conectada de los variadores, añada un margen para las pérdidas armónicas y especifique la clase de elevación de temperatura del devanado un nivel por encima del requisito mínimo. El costo adicional figura en la cotización. El costo de equivocarse llega en el séptimo año.

 

 

La seguridad contra incendios determina la tecnología, no el precio

Pregúntese por qué casi todas las subestaciones dentro de túneles utilizan equipos en seco y la respuesta no es la eficiencia. Es la seguridad contra incendios. NFPA 502 (https://www.nfpa.org/codes-and-standards/nfpa-502-standard-development/502) establece los requisitos de protección contra incendios y seguridad humana ante incendios para túneles de carretera, puentes y otras vías de acceso restringido, y trata la ventilación como una función crítica de seguridad humana que debe seguir operando mientras arde un incendio.

Ese requisito repercute directamente en el transformador. Una unidad rellena de aceite ubicada dentro del recinto del túnel introduce un líquido inflamable, contención secundaria, una cámara acorazada y una separación adicional contra incendios; por eso, la mayoría de los diseñadores evitan este planteamiento y especifican un transformador de resina fundida dentro del taladro o en una sala contigua. Las normas de producto son inequívocas sobre lo que debe cumplir dicha unidad: IEEE C57.12.01 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.12.01/6775/) establece los requisitos generales para transformadores de distribución y de potencia tipo seco, e IEC 60076-11 cubre transformadores de potencia tipo seco hasta 36 kV.

Un detalle que se pasa por alto con más frecuencia que cualquier otro es que el transformador es tan bueno como su alimentador. Donde se exige que el circuito de ventilación de emergencia mantenga su integridad durante un incendio, el cableado y las empalmaduras deben resistir también esas mismas condiciones. Una unidad autoextinguible de resina fundida conectada con cable estándar constituye una incoherencia habitual y costosa.

 

El entorno del túnel afecta silenciosamente a los equipos

El aire del túnel es húmedo, polvoriento y ligeramente corrosivo. Una humedad relativa superior al 85 % es habitual en el interior de un conducto de ventilación; el polvo de frenos y neumáticos se deposita sobre toda superficie horizontal, y en un túnel costero se añaden cloruros a la mezcla. La temperatura ambiente en el conducto puede oscilar entre 40 y 45 °C durante el verano, medida en el lugar exacto donde se ubica el transformador, no en la entrada del túnel.

Los devanados encapsulados en resina resisten mejor estas condiciones que los devanados secos envueltos, porque, en un transformador de resina fundida el moldeado sella el devanado contra la entrada de humedad. Sin embargo, la especificación debe seguir adaptándose al entorno: calentadores espaciales anticondensación, una caja de bornes con clasificación IP y una temperatura ambiente de diseño tomada del conducto, no del promedio meteorológico regional.

La altitud también importa. A 1500 m, un transformador pierde cerca del 9 % de la densidad de aire disponible para la refrigeración por convección; por tanto, una unidad que aprueba su ensayo de elevación de temperatura al nivel del mar no es automáticamente aceptable en una ubicación montañosa. Solicite al proveedor que indique el factor de reducción de potencia aplicable a la temperatura ambiente y altitud de su emplazamiento, y que presente el cálculo específico en lugar de una curva genérica: ese es exactamente el mismo control que aplicamos a cada transformador para la ventilación del túnel hacemos la cotización.

 

Lo que solicitamos antes de emitir una cotización

Cinco elementos determinan la potencia nominal, el precio y la fecha de entrega de un transformador para túnel. Si se especifican claramente en la solicitud, normalmente la cotización se recibe correctamente a la primera:

• Programa de carga, destacando el motor de mayor potencia. Indíquenos su método de arranque y la longitud del cable desde la subestación. Todo lo demás se deriva de esa única entrada.
• Tipo y cantidad de accionamientos. Rectificador de seis pulsos, de doce pulsos o con entrada activa (AFE), además de la corriente de cortocircuito disponible en el bus de baja tensión: esto define el margen armónico.
• En el lugar de instalación. Diseño del ambiente, altitud, humedad y categoría sísmica aplicable al alineamiento.
• Estrategia contra incendios. Equipamiento dentro del recinto del túnel, en una subestación dedicada o remota: esta respuesta determina si se usará transformador de tipo seco o con líquido refrigerante.
• Certificación y objetivo de eficiencia. Informes de ensayo UL, CSA o IEC, y el nivel de eficiencia exigido por el país de destino.

Ryan Electric fabrica transformadores en seco y sumergidos en aceite para proyectos de infraestructura e industriales en toda América del Norte, el Medio Oriente y el sudeste asiático. Nuestra fábrica de Jiangsu ocupa 120 000 m² y cuenta con más de 180 conjuntos de equipos de producción y ensayo; nuestro portafolio de certificaciones incluye UL, CSA, IEEE, DEKRA y CNAS. Desde 2023 operamos como socio de empresa conjunta de Eaton, lo que somete nuestra documentación de ensayos y calidad a un proceso de auditoría externa en lugar de una autodeclaración. Un pedido para túnel se trata igual que un pedido para centro de datos: los datos de ensayo rutinario, los registros de elevación de temperatura y los archivos de certificación se envían junto con la unidad.

 

Envíe el programa de cargas, no solo los kVA

El número que decide un transformador para la ventilación del túnel rara vez es el primer número de la lista de carga. Envíe a nuestros ingenieros el cronograma de carga, el motor más grande, el tipo de accionamiento y las condiciones del sitio, y recibirá a cambio una clasificación, un margen armónico y un cálculo de reducción de capacidad que podrá defender en la revisión de diseño, en lugar de una placa de identificación seleccionada según reglas empíricas.

Acerca del autor: Este artículo fue redactado por el equipo de ingeniería de Ryan Electric, fabricante de transformadores con sede en Jiangsu, China, y socio conjunto de Eaton desde 2023, que suministra transformadores secos y sumergidos en aceite certificados según las normas UL, CSA e IEC para proyectos de túneles, metros, centros de datos y servicios públicos en Norteamérica, Oriente Medio y Asia Sudoriental.