Los Transformadores de Tipo Seco Están Llenos de Aceite para Reducir el Sobrecalentamiento — ¿Verdadero o Falso?

Los autores cuestionan sus propias afirmaciones. Sus opiniones sobre los transformadores secos no pueden ser justificadas. Como estos tipos de transformadores no contienen líquido, el transformador consiste en devanados y un núcleo soportado por aire ambiente. Los materiales aislantes utilizados en el caso de los transformadores secos son sólidos, es decir, materiales impregnados de epoxi, resina o devanados impregnados a presión al vacío. Hay presencia de líquidos en los transformadores sumergidos en aceite y, por lo tanto, los requisitos de diseño para los transformadores secos no pueden aplicarse a los tipos de transformadores sumergidos en aceite. Como resultado, la afirmación principal del artículo es que el proceso utilizado en el artículo no es adecuado para el tipo de equipo donde se aplica.

En conclusión, el resultado es desfavorable. Por lo tanto, con la inclusión de un sistema de enfriamiento a base de aceite, un transformador de tipo seco se convierte en uno lleno de líquido. El enfriamiento se realiza por aire, ya sea natural (es decir, atmosférico) o mecánico (es decir, forzado). De acuerdo con la IEC 60076-11, existen diferentes tipos de aislamiento térmico (Clase A (105 °C), Clase E (120 °C), Clase B (130 °C), Clase F (155 °C), Clase H (180 °C), Clase N (200 °C) y Clase C (220 °C)) con sus límites dependiendo de las características ambientales de la clase.

La reclamación, y por qué es incorrecta

La palabra “seco” no tiene nada que ver con la fraseología de marketing, sino que se refiere a transformadores cuyos elementos de enfriamiento y aislamiento no son líquidos. La IEC ha emitido la IEC 60076 -11 relacionada con transformadores secos y que establece las unidades capaces de trabajar a una potencia de 2500 kVA y un voltaje de 36 kV. El término “seco” utilizado aquí implica que no hay líquido.

La confusión en este asunto surge porque ambos tipos de transformadores pueden observarse como iguales en términos de su apariencia, ubicación en las subestaciones y comparten los mismos fabricantes. Ambos tipos de transformadores son capaces de convertir la energía eléctrica de una forma a otra a través del núcleo hecho de metal y las bobinas de cobre. Lo que distingue a los dos es el hecho de que los transformadores de potencia utilizan aceite, mientras que el transformador seco utiliza solo aire como medio de aislamiento y enfriamiento.

Las dos familias suelen compararse exactamente en los criterios que este mito confunde, y donde los transformadores de tipo seco y los transformadores sumergidos en aceite realmente difieren se reduce al medio de enfriamiento, carga de fuego, huella, régimen de mantenimiento y dónde se permite instalar la unidad, no a cuál de ellos tiene aceite.

Lo que realmente enfría un transformador de tipo seco

El aire es principalmente responsable de hacer que los tipos secos sean inferiores en términos de aumento máximo de temperatura en comparación con las unidades llenas de aceite con calificaciones de capacidad idénticas.

• Rendimiento térmico. La conductividad térmica del aire se estima en aproximadamente 0.026 W/m·K. Por otro lado, la conductividad térmica del aceite para transformadores es de aproximadamente 0.12 W/m·K, lo que significa que el aceite tiene un rendimiento térmico de cuatro a cinco veces mayor que el aire. Esta única cifra arroja luz sobre las diferencias entre los grupos de especies.
• Métodos de enfriamiento. El enfriamiento por aire natural (AN) se realiza únicamente a través de convección, mientras que el enfriamiento por aire forzado (AF) requiere la instalación de ventiladores que producen un aumento en el rendimiento de enfriamiento a corto plazo. Otra alternativa, que es un tipo híbrido, se conoce como ANAF y significa enfriamiento por aire natural en carga normal y enfriamiento mediante el uso de ventiladores en carga completa. Cabe destacar que la instalación de conjuntos de ventiladores hace que este tipo sea más ruidoso y aumenta el mantenimiento, lo cual debe ser resaltado cuando alguien afirma que se dirige únicamente hacia AF debido a sus supuestas ventajas.
• Espacio libre y circulación de aire. La mayoría de los fabricantes recomiendan asegurar al menos 300 mm de espacio libre desde las paredes para el enfriamiento por aire natural o reducir el espacio libre mínimo a aproximadamente 150 mm cuando se utiliza el enfriamiento por aire forzado. La cifra anterior debe ser considerada al planificar la instalación del equipo, ya que las recomendaciones de fabricación establecen limitaciones claras.
• La limpieza es crucial para la efectividad del enfriamiento, ya que la presencia de polvo en el devanado y en los pasajes de enfriamiento puede llevar a pérdidas de efectividad que alcanzan el 15-30%. Por eso, los programas de mantenimiento periódico de tipo seco contemplan la limpieza regular, mientras que los equivalentes llenos de aceite no proporcionan ni recomendaciones ni requisitos.
• La altitud y los parámetros ambientales tienen efectos adversos en el funcionamiento del enfriamiento.

El método de enfriamiento también se convierte en la convención de nomenclatura en la hoja de datos, y las unidades de tipo húmedo utilizan las mismas letras de manera diferente; la comparación de la tecnología de enfriamiento entre tipos de transformadores, incluidos los variantes de aceite forzado, se establece en esta visión general de métodos de enfriamiento de transformadores, que es una referencia útil cuando una especificación cita ONAN, ONAF o OFAF y necesitas saber a qué se compromete el proveedor con las letras.

Clases de aislamiento y límites de aumento de temperatura

Aquí es donde la clasificación de un transformador de tipo seco se vuelve relevante, por lo que la precisión es crucial. No hay aceite que ayude a disipar el calor, por lo que el sistema de aislamiento sólido debe soportar las temperaturas para las que está diseñado; la IEC 60076-11 describe tanto la clase de aislamiento como el aumento de temperatura máximo permitido en relación con la temperatura ambiente.

• Clase A (105 °C) — aumento de temperatura del devanado de 60 K. Equipos más antiguos.
• Clase E (120 °C) — 75 K. Esto no es muy común hoy en día.
• Clase B (130 °C) — 80 K. A menudo utilizado en aplicaciones generales.
• Clase F (155 °C) — 100 K. Esto es lo que se utiliza típicamente para aplicaciones de distribución.
• Clase H (180 °C) — 125 K. Utilizado en condiciones de operación más exigentes con cargas más altas.
• Clase N (200 °C) — 135 K. Esta clase se utiliza en aplicaciones especiales.
• Clase C (220 °C) — 150 K. Ampliamente utilizado en América del Norte en instalaciones de VPI de tipo seco; a la temperatura de 150 K, la temperatura del punto caliente a carga nominal supera los 210 °C.

En comparación, un transformador sumergido en aceite que cumple con las normas IEC 60076-2 y ANSI a un aumento de temperatura máximo de 65 K y un aumento promedio en el aceite superior que se cree que no es más de 55 K mantiene una temperatura de punto caliente de 78 °C por encima del nivel ambiental. El aceite no está ahí para enfriar el transformador, sino para lograr una eficiencia suficientemente alta en el proceso de eliminación de calor y proporcionar aislamiento dieléctrico entre los devanados principales y los devanados posteriores.

Esto es importante para los negocios en el contexto del envejecimiento térmico. La ecuación de Arrhenius establece que la vida útil del aislamiento se reduce a la mitad por cada aumento de 10 °C en la temperatura mantenida. Por lo tanto, un transformador de tipo seco que exceda el punto caliente en 20 °C no solo perdería una fracción de su vida útil, sino la mayoría de ella, con su mal funcionamiento manifestándose en la falla del aislamiento mucho después de la falla, en lugar de dar alguna indicación de antemano. Esa es también la razón por la cual la construcción del devanado y el sistema de aislamiento, no la carcasa, deciden lo que un transformador de tipo seco puede soportar realmente, y el detalle a nivel de componente detrás de eso se explora en lo que hay dentro de un transformador de tipo seco y por qué cada parte es importante.

Tres Construcciones, Tres Productos Diferentes

Con “tipo seco” no siendo una distinción independiente sino más bien un concepto general, podemos ver que las tres variedades principales se comportan de manera lo suficientemente diferente como para no ser utilizadas de manera intercambiable.

• Resina de fundición. En términos básicos, encapsulamos los devanados en resina bajo vacío, formando un cuerpo sólido de aislamiento, con buenas propiedades mecánicas y una gran resistencia al agua, al polvo y a la agresión química. La descarga parcial se convierte en un gran problema aquí, ya que la falla típicamente comienza en sólidos debido a vacíos, y esa es la razón por la cual la organización IEC 60076-11 hace que las pruebas de descarga parcial sean obligatorias. Esto es típico para redes de distribución interiores.
• Método de resina encapsulada y VPI. En esta técnica, en lugar de hacer un devanado utilizando el método de fundición, primero lo impregnamos con resina en una cámara de vacío a alta presión, obteniendo un sistema de aislamiento robusto de clase H o clase C con buena tolerancia a sobrecargas. Este método se ha vuelto bastante común en los EE. UU., especialmente en trabajos de modernización.
• Tipo abierto o ventilado. Aquí el devanado está simplemente encerrado en una cubierta mientras se confía en el flujo de aire y generalmente en una clase de aislamiento más alta en general. Este método generalmente no es tan costoso y los niveles de protección alcanzan IP20 o IP23.

La clasificación de la carcasa no depende de las preferencias de los propietarios, sino del tipo de entorno en el que se utiliza la unidad: por ejemplo, la clasificación IP00 se utilizaría en caso de que los devanados abiertos se coloquen en una sala especialmente designada, IP20 se utilizaría en caso de ser instalado dentro de una sala cerrada. Un producto representativo en este espacio es el transformador de distribución de tipo seco de resina fundida de la serie SCB para sistemas de 6–10 kV, donde el devanado encapsulado en epoxi, la clase de aislamiento especificada y el núcleo de baja pérdida son los parámetros que deciden la idoneidad en lugar de la cifra de kVA sola.

Dónde se utilizan los transformadores secos y por qué persiste el mito

La razón por la que se utilizan transformadores secos es la seguridad. La ausencia de líquido implica que no habrá fugas de aceite, no habrá contención de bunded, no habrá pozo de contención de aceite, no habrá carga de incendio de cientos de litros de líquido en llamas dentro del edificio, y no habrá necesidad de pruebas periódicas de aceite. Esto es lo que hace posible utilizarlos en interiores, cerca de las áreas de trabajo, en túneles, en plataformas offshore, así como dentro de centros de datos.

Los ejemplos de aplicación incluyen:

• Centros de datos e instalaciones de TI, incluidas salas de media tensión, aisladores de UPS y reducciones de PDU, lugares donde no hay posibilidad de recuperarse de un incidente de fuga de aceite.
• Hospitales, aeropuertos, centros comerciales, edificios de gran altura, etc., donde debido a las restricciones en la estrategia de incendios no hay posibilidad de utilizar transformadores llenos de aceite cerca de personas.
• Industria de energía renovable donde las aplicaciones de nacelle, torre o inversor podrían justificarse debido al costoso acceso de mantenimiento y al volumen de la envoltura limitado.
• Plantas industriales y servicios públicos donde las consecuencias de una fuga de aceite podrían considerarse peligrosas y donde se necesitarían medidas de seguridad.
• Subestaciones urbanas y subterráneas donde la huella y el riesgo de incendio son un asunto esencial y el transformador seco puede ser utilizado donde uno de tipo aceite necesitaría una sala de protección contra incendios específicamente equipada con clasificación de incendio.

Los proyectos reales en este espacio suelen especificarse con la misma lógica, y una instalación entregada da una mejor idea de ello que una hoja de datos — por ejemplo, los transformadores secos suministrados para un proyecto de suministro de energía dual en Pakistán muestran el patrón: suministros duales, instalación en interiores, sin contención de aceite, y un esquema de protección construido alrededor del transformador en lugar de alrededor del riesgo del propio transformador.

El mito proviene de tres fuentes.

• Productos sinónimos. Casi todos los fabricantes comercializan ambos tipos, y los productos enfriados por aceite a menudo ocupan el primer lugar en el catálogo, ya que demuestran ser menos costosos en su utilización. Así, la persona que hojea el catálogo vería el término aceite en él y asumiría que todos los productos presentados junto a él son enfriados por aceite.
• Confusión de términos verdaderos. Palabras como ONAN y ONAF describen tipos de enfriamiento, y las mismas letras están presentes en transformadores de tipo seco con un significado diferente. Por ejemplo, “AN” significa aire natural en el caso de transformadores de tipo seco.
• La confusión es funcional y no cosmética. Los transformadores enfriados por aceite efectivamente funcionan mejor en términos de prevención de sobrecalentamiento, lo que hace que la frase “el aceite previene el sobrecalentamiento” sea cierta si se aplica a la otra familia de transformadores. El error aquí es el hecho de que esta afirmación se atribuye al tipo de transformador incorrecto.

Qué Comprobar Antes de Comprar

Cinco factores contribuyen significativamente y todos deben encontrarse en la hoja de datos en lugar de discutirse en detalle durante las conversaciones de ventas.

• Clasificación de aislamiento y aumento de temperatura. Los resultados de la Clase F con 100 K y la Clase H con 125 K son dos productos diferentes mientras poseen el mismo kVA. Asegúrese de la existencia tanto de la clase como del nivel de aumento de temperatura, y asegúrese de las condiciones de temperatura ambiente.
• Condiciones de enfriamiento y presencia de ventiladores. AN, AF o ANAF están incluidos, así como el nivel de ruido para un dispositivo ubicado cerca del área ocupada.
• Clasificación IP de la carcasa y su efecto en la calificación continua en las instalaciones del sitio.
• Pérdidas y calificación de eficiencia. Las pérdidas en vacío y las pérdidas de carga forman el costo operativo durante todo el tiempo de su operación. Además, están sujetas a regulaciones en ciertos países, ya que, por ejemplo, GB/T 10228-2023 establece las definiciones de clases de eficiencia en China, mientras que las regulaciones de ErP Tier 2 controlan la calidad del producto en el mercado europeo.
• Requisitos de certificación. IEC 60076-11 es un estándar internacionalmente aceptado y UL 1562 es un estándar para transformadores de tipo seco de propósito general y de potencia utilizados en América del Norte.

Una palabra importante sobre el precio: los transformadores de tipo seco son generalmente más caros que los transformadores de aceite del mismo tipo y la razón de esto. No se atribuye a un mejor rendimiento de estas unidades, sino que su precio se debe a que no utilizan aceite. Generalmente, son mucho más baratos durante todo el período de instalación y más caros en la etapa inicial.

Preguntas Frecuentes

¿Los transformadores de tipo seco están llenos de aceite?

No. No hay medios líquidos en los transformadores de tipo seco para fines de enfriamiento o aislamiento. En cambio, los transformadores de tipo seco dependen del aire para el enfriamiento, ya sea a través de enfriamiento natural como en los transformadores de tipo AN o artificial como en los transformadores de tipo AF. También emplean materiales de aislamiento sólido como el aislamiento de resina epóxica fundida o devanados impregnados de resina. El estándar IEC 60076-11 trata sobre transformadores de tipo seco, que es válido para transformadores con una potencia nominal de 2500 kVA y una tensión nominal de 36 kV.

¿Por qué los transformadores de tipo seco tienen límites de aumento de temperatura más bajos que los sumergidos en aceite?

Se sabe que el aire es un conductor de calor mucho peor en comparación con el aceite. Con una conductividad térmica de 0.026 W/m·K para el aire frente a alrededor de 0.12 W/m·K para el aceite aislante, el transformador seco no puede deshacerse del exceso de calor de las bobinas rápidamente. Para que el aislamiento se mantenga lo suficientemente bueno durante todo el período de uso de 30 años, es necesario que la temperatura de las bobinas no aumente demasiado bruscamente: 60 K en el caso del aislamiento de clase A y 150 K del aislamiento de clase C, que están especificados en IEC 60076-11. Con el transformador de aceite, se observó que la temperatura de las bobinas aumentó a 65 K mientras que la temperatura del aceite subió 55 K.

¿Cómo se enfría un transformador de tipo seco sin aceite?

La transferencia de energía ocurre a través de tres formas. La transmisión desde la bobina a la aislación sólida puede tener lugar a través de la conducción, la carcasa al aire ambiente a través de la convección, y a través de la radiación desde la carcasa. La convección natural (AN) es suficiente para casi todas las aplicaciones donde hay suficiente espacio para que este proceso tenga lugar a aproximadamente 300 mm de cualquier pared o 150 mm cuando se utiliza refrigeración forzada. Para cumplir con los requisitos de capacidad aumentada mientras se mantiene el mismo tamaño básico de unidad, se instalan ventiladores (AF) o se instalan bajo la condición de que solo funcionen cuando sea necesario (ANAF). En términos de mantenimiento, la cobertura de polvo de las bobinas y los canales de refrigeración disminuiría la eficiencia de los sistemas en un 15-30%.

¿Cuál es mejor, un transformador de tipo seco o un transformador sumergido en aceite?

Ningún tipo de transformador es generalmente preferido; en cambio, están hechos para diferentes aplicaciones. Si la seguridad contra incendios, la instalación en interiores, la proximidad a personas, la seguridad ecológica y el mantenimiento difícil impiden su uso (como en centros de datos, hospitales, edificios altos, túneles, subestaciones en alta mar y en la ciudad), se debe utilizar el transformador de tipo seco. El transformador lleno de aceite debe ser seleccionado si se necesita un bajo costo por kVA, operación a alta temperatura, instalación al aire libre en un área contenida, o facilidad de mantenimiento del aceite, lo cual es generalmente requerido para grandes empleos de distribución y transmisión al aire libre. Los tipos de transformadores no son mutuamente excluyentes; de hecho, es habitual que un sitio emplee transformadores de aceite en las subestaciones de entrada y transformadores de tipo seco en sus estaciones de distribución.

Referencias

1. Comisión Electrotécnica Internacional — IEC 60076-11, transformadores de potencia de tipo seco
2. UL Standards & Engagement — UL 1562, Transformadores, Distribución, Tipo Seco
3. NFPA 70, Código Eléctrico Nacional — Artículo 450, transformadores y bóvedas de transformadores
4. Schneider Electric — documentación de aplicación y selección de transformadores de tipo seco
5. Siemens — material de referencia sobre tecnología de transformadores y métodos de refrigeración

Conclusión

Los transformadores de tipo seco tienen principios de construcción diferentes a los transformadores tradicionales porque operan sin aceite como aislante. A pesar de que los transformadores de tipo seco pierden algo de resistencia térmica y no utilizan fluidos de combustión como materiales aislantes, estos transformadores pueden ser instalados en lugares como centros de datos, hospitales, túneles y sótanos sin necesidad de gestión de derrames, servicios de lucha contra incendios o monitoreo de aceite. El problema con la comprensión del transformador de tipo seco se debe al principio de operación similar tanto para los transformadores llenos de aceite como para los de tipo seco y la existencia del mismo vocabulario para ambos. Las instrucciones relacionadas con este tipo de transformador proporcionan la información suficiente sobre el sistema de aislamiento, el aumento de temperatura y varios métodos de refrigeración.