A mediados de julio, un ingeniero de subestación se encuentra en el patio de transformadores de una calurosa y polvorienta ciudad portuaria del Medio Oriente, monitoreando una señal alarmante en la pantalla. La temperatura del devanado ha alcanzado los 118ºC y sigue aumentando en un transformador con un aumento de temperatura de 65 K y una capacidad de 50 MVA. Han pasado menos de dos años desde la instalación y el transformador ha estado bajo alta carga durante un verano implacablemente caluroso y récord. Parece que el sistema de enfriamiento natural por aceite del transformador no puede eliminar el calor del tanque del transformador. El ingeniero se enfrenta al dilema que cualquier propietario de un gran transformador tiene que resolver algún día: podría ya sea modernizar el sistema de enfriamiento del transformador, reducir su capacidad o estar preparado para una vida útil más corta de la unidad. Cabe señalar que el enfriamiento no es un mero problema de mantenimiento. Es una consideración de ingeniería que determina la capacidad del tanque del transformador y la vida útil del aislamiento eléctrico.
El artículo presenta todas las tecnologías de enfriamiento de transformadores disponibles, incluyendo enfriamiento ONAN, enfriamiento ONAF, enfriamiento OFAF, enfriamiento ODWF y nuevas soluciones como soluciones de modernización de aire y tubos de calor.
En pocas palabras: Los métodos de enfriamiento para transformadores se definen por los códigos de cuatro letras de la norma IEC: ONAN, ONAF, OFAF, OFWF y ODWF. El límite térmico está determinado por el aumento promedio máximo en la temperatura del devanado, generalmente 65 K para transformadores sumergidos en aceite según IEC 60076-2 y IEEE C57.12.00. La instalación de ventiladores de aire forzado en un transformador ONAN generalmente proporciona un aumento de capacidad continua de alrededor de 20-33%; la aplicación completa de enfriamiento por aceite forzado puede aumentar el suministro de electricidad en 40-50% en comparación con un dispositivo autocalentado.
Por qué el enfriamiento determina la salida del transformador.
Los transformadores transforman la energía eléctrica de manera muy eficiente, pero incluso el 1 al 3 % de potencia que se convierte en calor implica una enorme cantidad de pérdida. Por ejemplo, un transformador con una capacidad de 50 MVA y funcionando con una eficiencia del 99 % tiene una pérdida de calor de aproximadamente 500 kW de manera continua, lo que es suficiente para calentar una casa pequeña. El calor generado solo tiene un camino por donde ir: es a través del sistema de aislamiento hacia el aceite o aire, luego hacia la pared y los radiadores del tanque y finalmente hacia el agua o aire circundante. Este proceso de eliminación de calor establece un límite superior en el rendimiento continuo del transformador medido en kVA.
El calor es un enemigo de los transformadores. La principal causa del envejecimiento del aislamiento sigue el principio de Arrhenius: cada aumento de la temperatura de 6-10 K por encima de la temperatura esperada del punto caliente reduce a la mitad la vida útil esperada del aislamiento. Un transformador diseñado para un aumento promedio de temperatura de 65 K y que trabaja a 80 K no solo empeorará significativamente su rendimiento, sino que también consumirá su vida útil de diseño muy rápidamente, causando que pierda años de vida cada mes.
Decodificando el código de enfriamiento y los principales métodos de enfriamiento.
El proceso de enfriamiento se identifica de acuerdo con la nomenclatura estándar de cuatro letras definida en IEC 60076-2 e IEEE C57.12.00: la primera letra indica el medio extremadamente importante que entra en contacto con los devanados (o = aceite, k = líquido con punto de inflamación superior a 300°, a = aire), la segunda letra nos informa sobre la forma en que se circula este medio (n = naturalmente, f = circulación forzada artificialmente, d = circulación dirigida), la tercera letra se refiere al medio con el que el aparato interactúa (a = aire, w = agua) y la letra final se refiere a la forma en que se lleva a cabo la circulación (n = naturalmente, f = artificialmente).
| Código de Enfriamiento | Cómo Funciona | Aumento de Calificación Típico vs. ONAN | Tamaño Típico del Transformador |
|---|---|---|---|
| ONAN | El aceite circula por convección natural; el calor se irradia al aire quieto | Línea base | Hasta ~5 MVA (una etapa); las unidades grandes están clasificadas como ONAN a carga reducida |
| ONAF | Agrega ventiladores de radiador; aire soplado a través de las superficies de enfriamiento | +20 a +33% | 5-100 MVA |
| OFAF | Las bombas de aceite fuerzan la circulación; los ventiladores fuerzan el aire sobre los radiadores | +40 a +50% | 50-300 MVA |
| OFWF | Aceite bombeado a través de un intercambiador de calor enfriado por agua | +40 a +50%, huella compacta | Unidades grandes donde el agua está disponible |
| ODWF / ODAN / ODAF | Flujo de aceite dirigido a través de los canales de devanado; ventiladores o agua externamente | Hasta +60% en el diseño dirigido | 100 MVA y más |
Las calificaciones de múltiples etapas se utilizan rutinariamente en la compra de transformadores de potencia, por ejemplo, ONAN/ONAF/ONAF o la combinación de ONAN/ONAF/ONAF/ONAF, y permiten a los operadores encender los ventiladores a medida que aumenta la carga. Por ejemplo, un transformador con una potencia de 60 MVA puede estar clasificado en 40 MVA como ONAN, en 50 MVA como ONAF, y en 60 MVA, con todos los ventiladores activos. Los ventiladores utilizados son generalmente ventiladores axiales que consumen de 0.75 kW a 3 kW de potencia, una cantidad negligible dada las cargas que soportan, que ascienden a varios cientos a miles de dólares por instalación, ventilador incluido.
ONAN vs. ONAF vs. OFAF vs. ODWF
| Característica | ONAN | ONAF | OFAF | ODWF |
|---|---|---|---|---|
| Partes móviles | Ninguno | Solo ventiladores | Bombas + ventiladores | Bombas + sistema de agua |
| Rango de clasificación típico | Hasta 5-10 MVA | 5-100 MVA | 50-300 MVA | 100 MVA y más |
| Costo por MVA | Más bajo | Moderado | Mayor | Más alto |
| Fiabilidad / mantenimiento | Más alto; nada que fallar | Los motores de los ventiladores necesitan atención | Sellos y motores de bombas añadidos | Riesgo de fugas de agua y ensuciamiento |
| Huella | Grandes bancos de radiadores | Radiadores compactos + ventiladores | Compacto con bombas | Más compacto |
| Ruido | Más bajo | Ruido del ventilador | Ruido de bomba + ventilador | Ruido de bomba + agua |
Es simple entender los compromisos de ingeniería aquí: cada etapa de enfriamiento forzado adicional proporciona MVA adicional por unidad de volumen del tanque, pero resulta en la adición de equipos que pueden fallar, consumir energía o producir ruido. ONAN sigue siendo la opción más común, ya que no tiene modos de falla además del transformador, mientras que ONAF es la opción predeterminada debido a ventiladores asequibles, probados y fácilmente adaptables; OFAF y ODWF solo se utilizan para transformadores grandes, cuando los tanques y la densidad de calor no dejan otra opción.
Clases y Límites de Aumento de Temperatura
| Parámetro | IEC 60076-2 Valor Típico | IEEE C57.12.00 Valor Típico |
|---|---|---|
| Aumento máximo promedio del devanado (inmerso en aceite) | 65 K | 55 K (OA), 65 K (FA) |
| Aumento máximo del punto caliente del devanado | 78 K (85°C punto caliente, 7 K de tolerancia ambiental) | 80 K |
| Aumento máximo del aceite superior | 60 K | 55-65 K por clase |
| Temperatura ambiente de diseño | Promedio 30°C, máximo 40°C | Promedio 30°C, máximo 40°C |
| Límite de temperatura del punto caliente máximo | 98°C (devanado), 105°C (aceite) | 110°C continuo |
Estas cifras son parte de un acuerdo o contrato con un formato. Si un transformador no pasa la prueba de evaluación del aumento de temperatura en la fábrica, entonces no ha seguido las condiciones de la especificación y la certificación debe incluir el aumento de temperatura medido. Cuando se tiene en cuenta la altitud (1,000 m o más) o la alta temperatura ambiente (más o menos 40 grados Celsius), entonces los factores deben ser verificados en IEC 60076-2, la razón de lo cual es que los dispositivos tendrán que ser desclasificados en el clima más cálido y, por lo tanto, serán diferentes de los dispositivos que se utilizarán en un clima moderado.
Para entender cómo las diferentes etapas de enfriamiento influyen en el proceso | se ha considerado el mismo transformador de 25 MVA con diferentes condiciones y procesos, de modo que se pueda realizar la peculiaridad cuando los proveedores ofrecen ofertas poco realistas:
| Modo de Enfriamiento | Clasificación Continua (Tanque de 25 MVA) | Aumento a 25°C Ambiente | Aumento a 40°C Ambiente | Desclasificación Necesaria a 40°C |
|---|---|---|---|---|
| ONAN (natural) | ~15 MVA | 52 K aceite superior | 67 K aceite superior | ~12% |
| ONAF (ventiladores encendidos) | ~20 MVA | 48 K aceite superior | 63 K aceite superior | ~8% |
| OFAF (bombas + ventiladores) | ~25 MVA | 44 K aceite superior | 59 K aceite superior | ~5% |
| ODWF (dirigido + agua) | ~30 MVA | 40 K aceite superior | 55 K aceite superior | ~5% |
Modernización y Aumento de Unidades Existentes
Convertir de servicio ONAN a ONAF es a menudo el método de actualización preferido porque generalmente es más barato que comprar un transformador más grande.
Verificar el diseño térmico. Obtener confirmación del fabricante sobre si los radiadores y el punto caliente en los devanados pueden soportar el calor adicional. Algunos tanques requerirán una superficie de radiador adicional incluso con la instalación de ventiladores.
- Instalar banco de ventiladores. El costo generalmente estará entre $1500 y $8000 e incluirá de 2 a 6 ventiladores axiales, protecciones, marcos de montaje, cableado además de contactores, mientras que la instalación requerirá de 2 a 4 días de interrupción.
- Equipar con conmutación controlada por temperatura. Los ventiladores deben comenzar a funcionar a partir de una señal de temperatura del aceite superior mientras se apagan automáticamente en función de un temporizador o una caída de temperatura para evitar una operación cíclica rápida.
- Actualizar la placa de identificación y la protección. La nueva clasificación combinada debe incluirse en la configuración del relé así como en los registros de mantenimiento.
- Poner en marcha con prueba de calor. Sería aconsejable repetir la prueba de aumento de temperatura en la nueva clasificación para asegurar que se siga el aumento del devanado de 65 K.
Ir más allá de ONAF y utilizar circulación forzada de aceite requiere más esfuerzo, ya que implica agregar bombas de aceite y modificar la plomería del tanque. Esta opción se considera al tratar con transformadores que superan los 30 MVA. Las conversiones refrigeradas por agua (OFWF) podrían ser posibles, pero en realidad, no aportan tantas ventajas ya que están conectadas al riesgo de fugas.
Refrigeración de Transformadores de Tipo Seco
Los transformadores de tipo seco se caracterizan por su uso de aire para la refrigeración y el cumplimiento de códigos particulares que incluyen AN (Aire Natural) o AF (Aire Forzado). En términos de eliminación de calor, los transformadores de tipo seco no incluyen aceite, y por lo tanto, dependen del área de sus bobinas encapsuladas o enrolladas. La capacidad de los transformadores de tipo seco es relativamente menor que la de los modelos llenos de aceite. Por ejemplo, los transformadores de resina fundida típicos pueden alcanzar una capacidad máxima de hasta 3-10 MVA. Los transformadores de tipo seco pueden clasificarse en dos clases de aumento de temperatura de acuerdo con la norma IEC 60076-11: Clase F (que aumenta 100K para alcanzar una temperatura de 155°C) y Clase H (que aumenta 125K para alcanzar una temperatura de 180°C).
La implementación de refrigeración por aire forzado agrega un par de cientos de dólares por el ventilador y aumenta la capacidad nominal del transformador en aproximadamente 25 a 30%. La principal ventaja de los transformadores de tipo seco es la ausencia de aceite en el proceso de operación. Sin embargo, el uso de aire como medio de refrigeración también presenta ciertas desventajas, como la necesidad de una ventilación adecuada y un sistema costoso para la gestión del polvo.
Qué método de refrigeración para qué aplicación
- Transformadores de distribución de más de 2.5 MVA – En este caso, ONAN es el método estándar utilizado para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, puede utilizarse en un caso cuando hay una carga industrial picosa, permitiendo el uso de ONAF.
- Transformadores de potencia – En este punto, el método ONAN podría utilizarse con algunos ventiladores para proporcionar un entorno de refrigeración adecuado.
- Los transformadores de potencia grandes (más de 100 MVA) son del tipo OFAF, por lo que se utilizan bombas de aceite y sistemas de flujo forzado para estos dispositivos.
- DISTRITO OFFSHORE Y LUGARES CONGESTIONADOS – Se debe preferir un tipo OFWF cuando hay recursos hídricos, reduciendo el tamaño del sistema.
- Los edificios comerciales interiores manejan unidades de tipo seco mientras utilizan métodos AN y AF, ya que el aceite y el código de incendios interior no se llevan bien.
- Climas cálidos y bases de gran altitud requieren la necesidad de implementar un nivel de refrigeración adicional y/o desclasificación porque el aire circundante no es capaz de absorber mucho calor.
Comparación de marcas y precios
| Marca | Origen | Tecnologías de refrigeración ofrecidas | Rango de precios aproximado (1 MVA ONAN) |
|---|---|---|---|
| ABB | Suiza/Suecia | Gama completa, experiencia en ODWF y flujo dirigido | $10,000-$25,000 |
| Siemens | Alemania | Unidades de potencia grandes, ONAF/OFAF escalonadas | $11,000-$28,000 |
| Hitachi Energy | Suiza | Transformadores de potencia con refrigeración avanzada | $12,000-$30,000 |
| Schneider Electric | Francia | Unidades de distribución y de tipo seco AF | $9,000-$22,000 |
| Eaton / GE | EE. UU. | Distribución ONAN/ONAF | $7,000-$18,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | ONAN, ONAF, clasificaciones escalonadas, tipo seco AN/AF | $5,000-$14,000 |
Los líderes del mercado como ABB, Siemens, Hitachi Energy y Schneider Electric son los actores definitorios en la industria de transformadores de potencia a gran escala con sus diseños ODWF/OFAF que se utilizan como referencia en la industria. Notablemente, fabricantes como Jiangsu Subian Electric Power son conocidos por sus unidades ONAN y ONAF escalonadas diseñadas para las clases más pequeñas de 0.5-10 MVA que más interesan a los clientes. Sus unidades han sido probadas de acuerdo con IEC 60076-2, y reciben certificados que verifican que los laboratorios de aumento de temperatura pueden medir el aumento de temperatura de sus transformadores. Subian envía sus productos a todo el mundo; puede producir tanques y radiadores de acuerdo con las especificaciones del cliente a precios que son de 40 a 60% más bajos que los precios cotizados por sus competidores europeos. Los clientes que necesiten la adaptación de bancos de ventiladores deben consultar con Subian sobre las especificaciones técnicas para la tecnología de superficie de radiadores y opciones de bombas, ya que cuando la temperatura ambiente es tan alta como 40 grados Celsius, estas especificaciones son más importantes que el precio.
Cómo elegir el método de refrigeración adecuado
- Lo primero es definir el tipo de perfil de carga. Un perfil de carga con uso constante tiene un mayor requerimiento de refrigeración que un perfil de carga con uso variable. Por lo tanto, se puede optimizar una etapa de refrigeración para hacer funcionar los ventiladores solos durante las horas pico de la tarde.
- A continuación, deberá considerar los efectos del ambiente. Si su ambiente es superior a 40 grados Celsius o se encuentra a una altitud de más de 1000 metros, necesitará desclasificarlo de acuerdo con IEC 60076-2 o proporcionar una etapa de refrigeración adicional.
- Asegúrese de tener en cuenta los requisitos de espacio del equipo. Los bancos de radiadores requieren espacio en el patio, pero las tecnologías OFWF y ODWF reducen el tamaño de la huella a costa de los sistemas de agua.
- La fiabilidad es de alta importancia. Para infraestructuras críticas, se deben favorecer las etapas ONAN y los ventiladores simples sobre las bombas siempre que sea posible, siempre que la clasificación lo permita.
- Tenga en cuenta el costo total de propiedad. Los motores y las bombas consumen energía y requieren mantenimiento. Un gran tanque ONAN puede tener un costo más bajo que un motor refrigerado por aire forzado simple.
- No olvide solicitar una prueba de aumento de temperatura con aumentos de bobinado de 65 K (o deseados) que sean atestiguados por el certificado de prueba en lugar de ser asumidos.
Mantenimiento y Monitoreo
La falla de los sistemas de refrigeración ocurre en silencio y generalmente se indica mediante una alarma activada por la caída de temperatura. En la práctica de refrigeración adecuada, se incluyen una serie de inspecciones de partes desgastadas como las aspas del ventilador, los motores del ventilador, las protecciones del ventilador, etc. Además de una revisión mensual de todas las partes mencionadas, se debe realizar una revisión trimestral de los sellos de la bomba y los indicadores de flujo de aceite. Junto con la termografía anual de los bancos de radiadores, también es necesario llevar a cabo una prueba escrita del arranque automático del ventilador controlado por interruptor de temperatura. En cuanto a los grandes tableros de refrigeración, la sección de temperatura de bobinado y DGA deben ser analizadas juntas; si hay un aumento de un punto caliente sin mal funcionamiento del ventilador, apunta a un problema dentro de una parte interna de la unidad de refrigeración.
La cantidad de aceite en el conservador debe coincidir con el diseño de refrigeración. La ocurrencia de un nivel bajo de aceite puede llevar a una situación en la que ocurre cavitación y esto puede ser de gran peligro en comparación con el sobrecalentamiento.
Preguntas Frecuentes
¿Qué significan ONAN y ONAF en una placa de identificación de transformador?
Estas son designaciones que están vinculadas a la refrigeración según IEC 60076-2. ONAN significa aceite natural y aire natural, lo que significa el diseño estándar autorr refrigerado. La designación ONAF incluye los ventiladores del radiador que ayudan a enfriar el transformador, y así la designación ONAF denota la capacidad de operación aumentada, que es de 20% a 33% más alta que la del diseño autorr refrigerado. Por esta razón, los transformadores ONAN/ONAF están clasificados dos veces.
¿Cuánto cuesta agregar refrigeración por aire forzado a un transformador?
La adaptación de un ONAF en un transformador de clase de distribución cuesta entre 1500 y 8000 dólares, ya que generalmente implica la instalación de 2-6 ventiladores, así como la instalación de las protecciones, contactores y interruptores de control de temperatura. El uso de aire forzado ayuda a aumentar la capacidad del transformador en al menos un 20-33.
¿Puedo sobrecargar un transformador si enciendo los ventiladores?
Las sobrecargas están permitidas solo hasta la clasificación ONAF y solo si la temperatura del aire y la elevación están dentro de los límites prescritos en el concepto. El aumento real de temperatura es un requisito; por lo tanto, en caso de que el aumento de la temperatura promedio sea superior a 65K, la vida útil del aislamiento se reducirá.
¿Cuál es la diferencia entre el enfriamiento OFAF y ODWF?
La diferencia consiste en el hecho de que en OFAF, el aceite se circula a través del radiador, mientras que en OFDA, el aceite se bombea en los canales de enfriamiento del devanado mediante el flujo de agua a través del intercambiador de calor.
¿Realmente importa la altitud para el enfriamiento del transformador?
De hecho, sí. Por encima de 1000 metros, la densidad del aire disminuye, lo que hace que el enfriamiento sea muy ineficiente.
Referencias
- IEC 60076-1 — Transformadores de potencia, Requisitos generales — Especificación maestra para clasificaciones y pérdidas.
- IEC 60076-2 — Transformadores de Potencia, Aumento de Temperatura — El estándar que define los códigos de enfriamiento y los límites de aumento de temperatura.
- IEEE C57.12.00 — Requisitos generales para transformadores sumergidos en líquido — Código de enfriamiento de América del Norte y línea base de aumento de temperatura.
- IEC 60076-11 — Transformadores de Tipo Seco — Clases térmicas para unidades refrigeradas por aire.
- Hitachi Energy — Productos de Transformadores — Referencia para clasificaciones de enfriamiento por etapas en grandes transformadores de potencia.
- Transformadores ABB — Referencia de la industria para opciones de tecnología de enfriamiento y hojas de datos.
- Transformadores Siemens Energy — Documentación de enfriamiento y aumento de capacidad para transformadores de potencia.
Conclusión
Los enfriamientos de los transformadores actúan como factores decisivos importantes que determinan la potencia y la vida útil del transformador. Siempre que uno lea el código de 4 letras para el enfriamiento, entienda las especificaciones del aumento de temperatura y haga una elección entre enfriamiento natural, enfriamiento forzado o agregar un ventilador a los sistemas de enfriamiento existentes, toda esa información tiene un uso práctico en la ingeniería.
- ONAN es el estándar básico; ONAF representa una mejora y consiste en 20-33% sobre el ONAN con costos adicionales de modernización de $1,500 a $8,000.
- OFAF y ODWF se utilizan para transformadores de grandes tamaños debido a las densidades de calor.
- La temperatura deberá ser probada a través de la prueba y certificada con el aumento de temperatura del devanado de 65 K.
- En caso de altitudes o temperaturas altas, los transformadores deberán ser desclasificados o la refrigeración deberá ser reforzada.