Construir un transformador de baja tensión puede parecer sencillo; después de todo, muchos parámetros de diseño se simplifican cuando la tensión del equipo no supera, por ejemplo, el nivel de tensión típico de los sistemas de subtransmisión de energía de hasta 138 kV. Sin embargo, cuando existen transformadores de alta potencia que operan a baja tensión, lo que se vuelve más complejo y debe analizarse en detalle en el diseño son los efectos de la amplitud del campo magnético disperso generado por la corriente respectiva.
La aplicación de transformadores de alta potencia a niveles de tensión del orden de las decenas de kilovoltios se encuentra, por ejemplo, en sistemas de energía renovable, sistemas de transmisión de media tensión y transformadores que alimentan hornos de fundición eléctrica y rectificadores de potencia. Es frecuente encontrar aplicaciones de esta naturaleza operando a tensiones de 13,2 a 34,5 kV.
Podemos definir el proceso de diseño de un transformador como un desafío constante en la búsqueda del punto óptimo de la relación entre el margen de seguridad de diseño y la cantidad de materia prima utilizada en su fabricación.
En este sentido, al definir las distancias de seguridad de la parte activa, se consideran todas las características del transformador, pero el factor más decisivo en esta etapa es el nivel de tensiones dieléctricas especificado para las pruebas y el funcionamiento. Con base en este valor de tensión, se determinan las distancias de aislamiento del equipo, como la distancia entre los extremos de los devanados y el hardware de la parte activa, y la propia parte activa en relación con la cuba del transformador.
Y es en esta fase del proyecto donde surge la dificultad: la distancia necesaria para controlar la amplitud del campo eléctrico (aislamiento eléctrico) puede no ser suficiente para evitar los efectos del campo magnético (pérdidas parásitas y consiguiente calentamiento) generado por la corriente que circula en los propios devanados o elementos de conexión.
Por ejemplo: un transformador de clase 36kV con una potencia nominal de 30MVA.
En este nivel de tensión, la distancia mínima de aislamiento de diseño acaba siendo superada por la distancia requerida para cumplir los requisitos de montaje mecánico, es decir, son bastante reducidos y pueden tener valores cercanos a los 50mm y aún así mantener el margen de seguridad dieléctrica.
Por lo tanto, con estas condiciones establecidas, es fundamental verificar el comportamiento de las pérdidas parásitas generadas en los elementos metálicos de fijación de la parte activa y en el propio tanque del equipo. Esta verificación puede realizarse analíticamente o mediante herramientas numéricas. Sin duda, utilizando la segunda opción, en este caso la simulación numérica basada en elementos finitos, se logra una mayor precisión en el análisis y se puede obtener un diseño más optimizado.
Es importante mencionar que esta condición puede ser aún más crítica cuando el proyecto presenta una impedancia mayor, por ejemplo, niveles superiores al 10 %. Por lo tanto, dado que la amplitud del campo magnético disperso depende directamente del nivel de potencia del transformador y de sus características de construcción (que también determinan la impedancia), un equipo de potencia, incluso operando a un nivel de tensión muy bajo, requiere un control eficaz de los puntos de generación de pérdidas parásitas y, en consecuencia, de calentamiento, principalmente en relación con los elementos metálicos de la parte activa y el propio tanque.
Para superar esta situación, la solución más sencilla consiste en aumentar la distancia entre los elementos conductores de corriente y los materiales metálicos. Si esta solución no es suficiente, lo cual es muy posible, la siguiente estrategia (en orden de dificultad de implementación) consiste en modificar la geometría y el material de estos elementos expuestos al campo magnético disperso, por ejemplo, utilizando materiales metálicos no magnéticos. Una estrategia más rigurosa y altamente efectiva consiste en el uso de blindaje electromagnético (material de alta conductividad eléctrica para repeler el campo magnético incidente) o derivaciones magnéticas (material de alta permeabilidad magnética relativa para redirigir el campo magnético incidente). Tanto la caracterización de este problema como su solución pueden (y deben) analizarse mediante estudios realizados con simulaciones numéricas computacionales.