Selección de transformadores para proyectos mineros: Consideraciones clave para instalaciones aisladas de la red y conectadas a la red

La fiabilidad del suministro eléctrico de una mina afecta directamente la seguridad de la producción y la eficiencia operativa. Como equipo central para la conversión de energía, la selección del transformador determina si todo el sistema eléctrico minero puede funcionar de forma estable. Sin embargo, las minas aisladas de la red y las minas conectadas a la red difieren fundamentalmente en la estructura de su fuente de energía y en su modo de operación; por tanto, los criterios clave para la selección del transformador también varían según el caso. En este artículo se resumen los puntos esenciales a considerar al seleccionar transformadores para ambas situaciones.

Una mina aislada de la red depende completamente de sus propias fuentes de energía (grupos electrógenos diésel, paneles solares fotovoltaicos, sistemas de almacenamiento de energía, etc.) y no está conectada a ninguna red eléctrica externa. El sistema debe equilibrar, en tiempo real y de forma autónoma, la generación y el consumo de energía. Esto implica que las fluctuaciones de la fuente de energía (por ejemplo, la naturaleza intermitente de la energía solar fotovoltaica) deben ser absorbidas por los sistemas de almacenamiento de energía y los grupos electrógenos de respaldo, lo que exige una mayor continuidad del suministro.

Una mina conectada a la red está vinculada a una red externa, que actúa como fuente principal o de respaldo de energía y proporciona soporte estable de tensión y frecuencia. La mina puede adquirir energía de la red y, cuando las condiciones lo permitan, autoabastecerse parcialmente mediante generación renovable. El sistema es relativamente menos complejo.

La elección del transformador para un proyecto minero depende, en primer lugar, del nivel de seguridad del emplazamiento de instalación.

Transformadores Sumergidos en Aceite utilizan aceite aislante como medio de refrigeración y aislamiento. Tienen una elevada capacidad de sobrecarga y una buena disipación térmica, lo que los hace adecuados para subestaciones superficiales, zonas a cielo abierto y otros escenarios de bajo riesgo y alta demanda de carga. Su costo de adquisición es menor, la tecnología está madura y ofrecen una buena relación calidad-precio en condiciones de suministro de energía de alta capacidad. Sin embargo, el aceite aislante conlleva riesgos de fugas e incendios, y su calidad debe someterse a ensayos periódicos.

Transformadores de tipo seco utilizar la fundición con resina epoxi para aislamiento. Son libres de aceite, ignífugos y resistentes al fuego, lo que los hace adecuados para túneles subterráneos y frentes de trabajo con altas concentraciones de gas o espacios confinados. Son compactos, protegidos contra el polvo y la humedad, y requieren un mantenimiento rutinario sencillo. Sus desventajas son un costo de adquisición más elevado y una capacidad de sobrecarga relativamente limitada.

En resumen: elegir primero transformadores secos para zonas subterráneas de alto riesgo; los transformadores sumergidos en aceite pueden preferirse para instalaciones superficiales y escenarios de bajo riesgo.

Comparación de escenarios de aplicación

1. Adaptación a las fluctuaciones de la fuente de alimentación. Los sistemas aislados suelen utilizar una configuración híbrida de «generación diésel + fotovoltaica solar + almacenamiento de energía». Las fluctuaciones en la producción fotovoltaica y el arranque/parada del generador diésel provocan cambios tanto de tensión como de frecuencia. El transformador debe poseer una buena capacidad de regulación de tensión; puede ser necesario un modelo con cambio de tomas bajo carga para gestionar los cambios frecuentes en el lado de la fuente de alimentación.

2. Capacidad de soporte frente a impactos de carga. Equipos de gran tamaño, como trituradoras y molinos de bolas en minas, pueden demandar corrientes de arranque varias veces superiores al valor nominal. Un sistema aislado carece del respaldo robusto de una red eléctrica, por lo que el transformador debe disponer de un margen suficiente de sobrecarga para evitar caídas bruscas de la tensión del sistema durante el arranque de los motores. La selección de la capacidad debe basarse en la curva real de carga, con un margen razonable de redundancia.

3. Condiciones de transporte e instalación. Los caminos hacia sitios mineros remotos suelen ser limitados, por lo que deben considerarse las dimensiones del transformador, su peso y la viabilidad de su ensamblaje in situ. Si un transformador sumergido en aceite requiere llenado con aceite in situ, también deben estar disponibles los equipos y las condiciones necesarias para el tratamiento del aceite.

1. Coincidencia de la impedancia de cortocircuito. Durante la operación conectada a la red, la impedancia de cortocircuito del transformador debe coordinarse con la capacidad de cortocircuito de la red. Una impedancia demasiado baja provoca una corriente de cortocircuito excesiva, incrementando la carga sobre los equipos de conmutación; una impedancia demasiado alta ocasiona una regulación de tensión excesiva. La verificación debe basarse en la corriente de cortocircuito esperada proporcionada por la red.

2. Selección del grupo vectorial. Las cargas mineras incluyen una alta proporción de equipos no lineales, como convertidores de frecuencia y arrancadores suaves; las corrientes armónicas pueden afectar el funcionamiento del transformador. El grupo vectorial Dyn11 ofrece un mejor comportamiento que el Yyn0 frente a armónicos y suprime eficazmente los armónicos de tercer orden, por lo que es una opción habitual para transformadores de distribución en minas conectadas a la red.

3. Configuración de capacidad y reserva para ampliación. El crecimiento de la carga en minas conectadas a la red suele ser relativamente estable. La capacidad del transformador puede establecerse en «carga real × 1,1–1,2», reservando espacio para ampliación según el plan del ciclo de vida de la mina. Una capacidad excesiva no solo incrementa las pérdidas en vacío, sino que también reduce el factor de potencia.

Para el proyecto de la mina de carbón Nishbash en Uzbekistán, suministramos tres subestaciones prefabricadas de estilo europeo conectadas a la red eléctrica, cada una de 3150 kVA y 10/0.4 kV. Los equipos de conmutación de alta tensión, los equipos de conmutación de baja tensión y los transformadores instalados en dichas subestaciones fueron fabricados íntegramente por nosotros. Para este proyecto, adaptamos el equipo más adecuado según las características propias de la mina, junto con otros factores como la altitud, la temperatura y la humedad.

En particular, al seleccionar el transformador, consideramos exhaustivamente los requisitos de conexión a la red. Finalmente elegimos un transformador sumergido en aceite con grupo vectorial Dyn11 e impedancia de cortocircuito del 5,5 %.

¿Qué es? ¿Deben los transformadores para minería ser necesariamente modelos específicos para minería?

En zonas subterráneas y en áreas con riesgo de explosión, deben utilizarse transformadores que cumplan con las normas mineras (tipo general o tipo a prueba de explosión). En subestaciones superficiales y en zonas a cielo abierto pueden emplearse transformadores industriales estándar, siempre que satisfagan los requisitos de grado de protección y resistencia a la corrosión.

¿Qué es esto? ¿Pueden utilizarse transformadores secos en exteriores?

Sí, pero se requiere un recinto protector, normalmente con una clasificación de protección IP54 o superior, para soportar condiciones de polvo y humedad.

- ¿Qué es? ¿Puede una mina aislada utilizar un transformador estándar conectado a la red?

No se recomienda. Las características de la fuente de energía y los patrones de impacto de la carga en sistemas aislados difieren significativamente de los de los sistemas conectados a la red. Un transformador estándar conectado a la red podría no soportar las fluctuaciones frecuentes de voltaje ni los picos de corriente al arranque.

La diferencia fundamental en la selección del transformador para minas aisladas y minas conectadas a la red radica en las distintas exigencias que las características de la fuente de energía imponen al transformador los escenarios aislados requieren transformadores con una mayor adaptación de voltaje y un margen de sobrecarga más elevado para gestionar las fluctuaciones de las fuentes de energía autónomas y los impactos de la carga. En los escenarios conectados a la red, el enfoque se centra más en la adaptación de impedancia, la supresión de armónicos y la coordinación con la protección de la red. En ambos escenarios, el nivel de seguridad siempre constituye la primera línea divisoria entre transformadores sumergidos en aceite y transformadores secos: los transformadores secos se instalan bajo tierra, mientras que los transformadores sumergidos en aceite se ubican en superficie. Este principio no varía, ya sea que la mina opere de forma aislada o conectada a la red.