1. Definición y principios fundamentales

Un transformador de alta tensión es un dispositivo eléctrico estático que eleva o reduce el voltaje de CA mediante inducción electromagnética. Su función principal es aumentar la electricidad de bajo voltaje (por ejemplo, 10 kV) generada por las centrales eléctricas a voltajes ultraaltos (por encima de 110 kV) para la transmisión a larga distancia, luego reducirlo a niveles seguros de uso (por ejemplo, 220 V) para los usuarios finales. Este proceso se basa en ​ Ley de Faraday del electromagnetismo Inducción : cuando la corriente alterna fluye a través del devanado primario, genera un flujo magnético alterno en el núcleo, induciendo una fuerza electromotriz (FEM) en el devanado secundario. La relación de voltaje sigue estrictamente la fórmula de relación de espiras (U₁/U₂ = N₁/N₂). Por ejemplo, si el devanado primario tiene 1.000 espiras y el secundario 10.000, el voltaje de salida se multiplica por diez.

2. Análisis estructural del núcleo

(1) Núcleo ​
Construido con láminas de acero al silicio de alta permeabilidad de 0,23–0,35 mm de espesor, recubiertas con barniz aislante para minimizar las pérdidas por corrientes de Foucault. Los núcleos modernos adoptan un diseño 'traslapado escalonado', reduciendo la resistencia magnética en un 30% y las pérdidas en vacío en un 15%

(2) Devanados ​

· ​ Devanado primario : Generalmente enrollado con cable de cobre trenzado para soportar altos voltajes (hasta 1.000 kV), con secciones transversales de conductor delgadas pero capas de aislamiento que superan los 5 mm.

· ​ Devanado secundario : Utiliza cobre trenzado continuo para aplicaciones de bajo voltaje y alta corriente, con áreas de sección transversal hasta 10 veces mayores que las del primario.

(3) Sistemas de refrigeración ​

· ​ Sumergido en aceite : El aceite de transformador cumple un doble papel como aislante (rigidez dieléctrica ≥30 kV/mm) y refrigerante, manteniendo las temperaturas del aceite por debajo de 85°C.

· ​ Seco : Emplea aislamiento de papel Nomex con refrigeración por aire forzado o SF₆, ideal para entornos sensibles como metros y centros de datos

3. Clasificación y Aplicaciones

En el proyecto UHVDC de ±800 kV en la meseta Qinghai-Tíbet, los transformadores operan a -40 °C y 4.500 m de altitud. Las tecnologías de llenado de aceite al vacío y compensación por expansión de nitrógeno evitan la solidificación del aceite aislante, garantizando un rendimiento estable de la red.

4. Desafíos técnicos e innovaciones

(1) Control de pérdidas ​
Los transformadores modernos utilizan núcleos de aleación amorfa (1/5 de la pérdida de hierro del acero al silicio) y regulación inteligente de voltaje impulsada por IA, reduciendo las pérdidas en vacío a <15 kW/10 MVA. Los últimos estándares de State Grid exigen una eficiencia ≥98% para transformadores de 110 kV.

(2) Avances en aislamiento ​
La impregnación al vacío con resina epoxi logra niveles de descarga parcial por debajo de 5 pC. Los transformadores de ±1.100 kV cuentan con aisladores segmentados con distancias de fuga de 7,2 m.

(3) Actualizaciones inteligentes ​
Sensores de temperatura de fibra óptica integrados (precisión de ±0,5 °C), monitores de vibración (muestreo de 10 kHz) y algoritmos de IA permiten una precisión de predicción de fallos >92%. China Southern Power Grid ha implementado sistemas gemelos digitales en 2.000 transformadores.

5. Protocolos de mantenimiento y seguridad

· ​ Pruebas rutinarias : Pruebas de resistencia de aislamiento cada 3 años (estándar >1.000 MΩ), desviación de resistencia DC del devanado <2%.

· ​ Cromatografía de aceite : Monitorear niveles de H₂ y CO; aumentos de hidrocarburos totales >10% activan paradas inmediatas.

· ​ Protección contra Rayos : Instalar pararrayos de 10 kA con resistencia de puesta a tierra ≤4 Ω.

6. Tendencias Futuras

Con la creciente adopción de energías renovables, los transformadores de alta tensión están evolucionando hacia diseños modulares (60% menos tiempo de instalación), interconexiones multiterterminal (soportando operaciones paralelas de VSC-HVDC), y seguimiento de la huella de carbono (40% de reducción de emisiones en el ciclo de vida). Para 2030, se proyecta que el mercado global supere los $80 mil millones, con China representando más del 45% de la demanda.