Impacto de la Regulación 2016 del DOE de los EE. UU. en los Transformadores Secos

Estándares de Eficiencia de los Transformadores de la Regulación 2016 del DOE - Aislante DuPont™ Nomex®

Brian Little, gerente de marketing de Norteamérica, DuPont Energy Solutions

El Departamento de Energía (DOE) de los Estados Unidos ha revisado los estándares de eficiencia de los transformadores de distribución que entrarán en vigencia en 2016, con el fin de reducir las pérdidas de energía del sistema eléctrico.  De conformidad con la regulación 2016 del DOE, los fabricantes de equipos originales (OEM) deberán modificar los diseños de sus transformadores, con el fin de ofrecer transformadores más eficientes en función de la energía que los que se utilizaron ampliamente en la industria hasta el momento. 

Historia de las Regulaciones de Eficiencia Energética

Antes de 2007, la eficiencia energética no se regulaba para los transformadores de distribución. Como resultado, el costo de fabricación era más importante que la eficiencia energética.  En algunos casos, los OEM generalmente calculaban la eficiencia con una carga del 100 %.

La situación comenzó a cambiar con la promulgación de la regulación 2007 del DOE, en la que se definieron los requisitos de eficiencia para los transformadores de uso general y de bajo voltaje (LVGP, Low-voltage, general-purpose) con un 35 % de carga. Luego, se promulgó la regulación 2010 del DOE, en la que se definieron los requisitos de eficiencia para los transformadores de voltaje medio (MV, medium-voltage) con un 50 % de carga.  Esto permite realizar la evaluación con la carga típica de estos tipos de transformadores, con el fin de calcular la eficiencia energética óptima según las operaciones reales.

Gracias a las definiciones de eficiencia energética establecidas por el DOE en las regulaciones 2007 y 2010, se le otorgó más importancia a las pérdidas en el núcleo.  Como consecuencia, los OEM modificaron los diseños de sus transformadores para incluir núcleos más grandes o grado de acero mejorado en los núcleos, a fin de reducir las pérdidas.  Entre estos cambios en el diseño se incluyeron transformadores que eran proporcionalmente más grandes y, en general, más costosos en cuanto a la fabricación.

La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA, National Electrical Manufacturers Association) desarrolló pautas para las unidades con mayor eficiencia, que generalmente se conocen como “NEMA Prémium 30”.

Nueva Regulación 2016 del DOE

En la regulación 2016 del DOE se redefinen los requisitos de eficiencia para los transformadores trifásicos de LVGP y MV.  Los requisitos de los transformadores monofásicos LVGP y MV seguirán siendo los mismos en las regulaciones actuales del DOE.

En la nueva regulación 2016 del DOE, los requisitos de los transformadores trifásicos de LVGP serán equivalentes a la eficiencia “NEMA Prémium 30”.   En el caso de las unidades trifásicas de MV, se requiere una escala variable de reducción de pérdidas, que incluirá un rango de cambios de entre el 2 % y el 24 % en comparación con las regulaciones actuales del DOE.

Cambios en la Regulación 2016 del DOE para los Transformadores Secos de LVGP

Cambios en la Regulación 2016 del DOE para los Transformadores Secos de MV

La reducción de pérdida de núcleo es clave para lograr eficiencia energética

Como la eficiencia se calcula con menos del 100 % de carga, el componente de pérdida de carga es menos importante que la pérdida de núcleo, que es independiente de la carga.  Por consiguiente, los OEM se centrarán en la pérdida de núcleo para mejorar la eficiencia.

Para reducir la pérdida de núcleo, es probable que los OEM diseñen transformadores con menos voltios/vuelta.  A un determinado voltaje, los diseñadores seguramente aumentarán la cantidad de vueltas para reducir la pérdida de núcleo.  Sin embargo, la mayor cantidad de vueltas deriva en un aumento en la impedancia con una altura fija de las bobinas. 

Los diseñadores cuentan con la opción de aumentar la altura de las bobinas para cumplir con los requisitos de impedancia debido al aumento de vueltas.  Sin embargo, es importante recordar que, a medida que aumenta la altura de las bobinas, también aumenta la altura del núcleo de forma proporcional.

 

Análisis del Impacto Comercial de la Regulación 2016 del DOE

Con el fin de analizar el impacto comercial de la regulación 2016 del DOE en el mercado de Norteamérica, miembros del equipo de DuPont™ Nomex® Energy Solutions trabajaron estrechamente con los OEM líderes del sector.

Los OEM nos proporcionaron los resúmenes de las listas de materiales (BOM, Bills of material) de los diseños típicos que cumplen con las regulaciones actuales del DOE, así como también los que cumplen con la regulación 2016 del DOE.

El equipo de DuPont analizó los resultados, resumió las tendencias y debatió los resultados con los OEM.  En algunos casos, los OEM revisaron sus diseños, y se repitió el análisis.

Para este estudio, se analizaron los siguientes diseños de transformadores:

  • LVGP: 300 kVA, 480 V
  • MV: 1500 kVA, 15 kV, 95 kV BIL
  • MV: 1500 kVA, 15 kV, 95 kV BIL (alambre esmaltado)
  • MV: 2000 kVA, 5 kV, 30 kV BIL
  • MV: 2000 kVA, 15 kV, 95 kV BIL (alambre esmaltado)

Resultados del Análisis de los Transformadores LVGP

En este estudio, se llegó a la conclusión de que el diseño de los transformadores de 300 kVA, 480 V que cumple con la regulación 2016 del DOE 2016 cuesta un 60 % más que el diseño que cumple con las regulaciones actuales del DOE.  El costo más elevado se debe, principalmente, a un aumento del 86 % en el costo de los conductores (mayor cantidad de vueltas) y un aumento del 58 % en los costos del núcleo (mayor tamaño). 

La eficiencia aumentó de 98,60 % a 99,02 %.

Resultados del Análisis de Transformadores de MV

En el caso de los transformadores de 1500 kVA, 15 kV, 95 kV BIL, el costo total del nuevo diseño que cumple con la regulación 2016 del DOE aumentó un 33 % en comparación con el costo del diseño que cumple con las regulaciones actuales del DOE.  Este aumento se debió, en mayor medida, a un aumento del 32 % en los costos de los conductores (mayor cantidad de vueltas) y un aumento del 40 % en los costos del núcleo (mayor tamaño). 

La eficiencia aumentó de 99,1 % a 99,3 %.

Si analizamos los resultados correspondientes al transformador de 1500 kVA, 15 kV, 95 BIL con cable esmaltado, las tendencias son similares.  El costo total aumentó un 16 %, principalmente debido a un aumento del 17 % en los costos de los conductores (mayor cantidad de vueltas) y un aumento del 28 % en los costos del núcleo.  En este diseño, los mayores costos del núcleo se debieron al aumento en la altura y al cambio en las especificaciones del acero del núcleo de acero M6 a acero Hi-B. 

La eficiencia aumentó de 99,12 % a 99,3 %.

En el caso de los transformadores de 2000 kVA, 5 kV, 20 kV BIL, el costo total del nuevo diseño que cumple con la regulación 2016 del DOE aumentó un 42 % en comparación con el costo del diseño que cumple con las regulaciones actuales del DOE.  Este aumento en el costo se debió, en mayor medida, a un aumento del 52 % en los costos de los conductores (mayor cantidad de vueltas) y un aumento del 48 % en los costos del núcleo (mayor tamaño).

La eficiencia aumentó de 99,27 % a 99,43 %.

Si analizamos los resultados correspondientes al transformador de 2000 kVA, 15 kV, 95 kV BIL con cable esmaltado, las tendencias son similares.  El costo total aumentó un 24 %, principalmente debido a un aumento del 24 % en los costos de los conductores (mayor cantidad de vueltas) y un aumento del 26 % en los costos del núcleo.  En este diseño, los mayores costos del núcleo se debieron al aumento en la altura y al cambio en las especificaciones del acero del núcleo de acero M6 a acero Hi-B. 

 

La eficiencia aumentó de 99,18 % a 99,36 %.

Seis Tendencias Clave

Teniendo en cuenta las conversaciones con los EOM líderes de la industria y los resultados de este estudio, se identificaron seis tendencias clave relacionadas con el objetivo de lograr mayores niveles de eficiencia energética de la regulación 2016 del DOE:

  • Los transformadores secos que cumplan con la regulación 2016 del DOE serán más grandes, y su costo de fabricación será mayor, en comparación con las unidades actuales.
  • Como los diseñadores se centran en la reducción de pérdida de núcleo, algunos fabricantes comenzarán a utilizar acero de grados más altos.  En algunos casos, se observó un cambio de acero M6 o M4 a acero Hi-B. 
  • Gracias a una construcción más eficiente del núcleo, como los núcleos ingletados y bobinados, por ejemplo, será posible reducir las pérdidas de núcleo un 25 % aproximadamente, aunque esto representará un aumento en los costos.
  • Una mayor cantidad de sección transversal en el núcleo es otra forma de reducir la densidad del flujo, reducir las pérdidas y, a su vez, mantener la misma cantidad de voltios/vuelta.
  • Es probable que aumente el uso de conductores, ya que el objetivo de los diseñadores es reducir el parámetro de voltios/vuelta.
  • Es posible que se aumente la altura de las bobinas para coordinar la cantidad de voltios/vuelta con los requisitos de impedancia.  Como resultado, los núcleos también serán más altos para las unidades.

Período de Amortización para los Clientes de Transformadores

Teniendo en cuenta los aumentos en la eficiencia que se lograron en los nuevos diseños en comparación con los precios previstos de la electricidad (según la Asociación de Información de Energía de los Estados Unidos), combinados con el aumento previsto en los costos de los transformadores que cumplen con la regulación 2016 del DOE, se espera que el período de amortización para los clientes de transformadores sea de más de 20 años.

Los clientes de los transformadores deberán utilizar el aislante DuPont™ Nomex®, el cual mantiene las propiedades de la vida útil durante 10 años como mínimo de exposición continua a 220 °C.  Una gran cantidad de transformadores secos fabricados con papel Nomex® se han utilizado durante más de 40 años.  Gracias a esta vida útil de rendimiento prolongada, las probabilidades de retorno de la inversión serán mayores para la mayor cantidad de eficiencia energética creada a través de los transformadores que cumplen con esta regulación.