El informe de puesta en marcha de un dispositivo de 40 MVA que tomó un tiempo de 14 meses en llegar ha sido adquirido por el ingeniero de la subestación. Se supone que el dispositivo atenderá a una región que tiene 60,000 consumidores. Hay 28,000 litros de aceite presentes dentro del tanque junto con 20 toneladas de ensamblaje de núcleo y bobinado y el sistema de enfriamiento de la unidad que es responsable de regular el calor con un aumento de temperatura de 65K. El ingeniero se da cuenta de que la simplicidad del tanque de acero tiene complicaciones potenciales en forma de química de gas disuelto, gestión de puntos calientes, equilibrio de humedad entre papel y líquido y un cambiador de tomas que es responsable de cambiar bajo carga.
El propósito de este artículo es proporcionar información sobre transformadores de potencia sumergidos en líquido, cómo actúan estos dispositivos como transformadores de voltaje de potencia, la forma en que funciona el sistema de enfriamiento, la diferencia entre aceite mineral y fluidos de éster, la complejidad de los patrones de falla que están vinculados con el control de la operación del transformador y los precios asociados con máquinas de varias capacidades.
En resumen, un transformador de potencia lleno de líquido es un tipo de transformador que se enfría y aísla utilizando un líquido, en la mayoría de los casos aceite mineral que se emplea en aproximadamente 75–85% de unidades, mientras que cuando hay un riesgo de incendio o efectos peligrosos para el medio ambiente se utilizan aceites como ésteres naturales y sintéticos. El método de enfriamiento por líquido proporciona una mayor capacidad de enfriamiento que el enfriamiento por medio de aire, la tolerancia de temperatura es (65K) igual a (65K) y por encima de 50–60K para transformadores secos.
¿Qué es un transformador de potencia sumergido en líquido?
Un transformador de potencia sumergido en líquido es aquel en el que la parte activa del transformador, incluyendo el bobinado y el núcleo, está alojada en un tanque de acero lleno de un fluido aislante. El papel del líquido aislante es doble. En primer lugar, actúa como un dieléctrico que aísla los conductores del suelo y proporciona algunas partes del aislamiento junto con papel y cartón prensado. En segundo lugar, actúa como un refrigerante y transporta el calor lejos del bobinado y el núcleo hacia el tanque y los radiadores que posteriormente se enfrían por aire.
Esta combinación de dos funciones es una razón de la alta eficiencia de la inmersión en líquido. El aire es un mal dieléctrico y también un mal conductor de calor, lo que hace que sea posible disipar el calor del bobinado de tipo seco con mucho mayor esfuerzo. Además, la conductividad térmica del líquido es aproximadamente treinta y seis veces mayor que la del aire y se requiere mucho más calor por litro de ambos, aire. Así, desde varios cientos de kVA, prácticamente cada transformador se considera un transformador de tipo líquido sumergido (que a menudo se denomina transformador sumergido en aceite).
Por qué la inmersión en líquido gana a gran escala
Las razones por las cuales la inmersión en líquido es mejor cuando se trata de tamaños de transformadores se pueden expresar de manera simple:
- Espacio térmico: De acuerdo con la IEC 60076-2, el aumento de temperatura promedio de los devanados utilizados en transformadores sumergidos en aceite es igual o inferior a 65 grados Celsius, lo que resulta en calificaciones continuas más altas debido a una mejor transferencia de calor que se puede lograr.
- Resistencia dieléctrica: Debido a que el aceite tiene una resistencia dieléctrica de 40-70 kV/2.5 mm, se puede utilizar para reducir el despeje y el volumen debido al hecho de que es mucho más alta que la de su contraparte en aire.
- Capacidad de sobrecarga: Los transformadores líquidos están diseñados para soportar sobrecargas durante breves períodos de tiempo; por ejemplo, como prescribe la IEC 60076-7, las sobrecargas en la cantidad de 130 % pueden continuar durante 2 horas.
- Dieléctrico autorreparable: Las descargas menores en el aceite crean gas, que se disuelve, y el aceite regresa a su estado operativo normal, a diferencia de un espacio de aire, que no puede sanarse a sí mismo.
- Diagnosabilidad: El líquido expresa una huella química de cada proceso que ocurre dentro de él, lo que hace que el análisis de gas disuelto sea el sistema de alerta temprana más efectivo en ingeniería eléctrica.
Estas ventajas se contrarrestan con las desventajas conocidas de los sistemas líquidos, a saber, el peligro de incendios y fugas, el peso, así como la complejidad de las actividades de mantenimiento inherentes al uso de maquinaria que contiene líquido. Por eso, la industria confía en soluciones de ingeniería, normas y estricta adherencia a las reglas para minimizar estos riesgos.
Cómo funcionan la refrigeración y el aislamiento líquidos
En transformadores llenos de líquido, la refrigeración se logra con ventilación natural o forzada por aire. En el modo básico ONAN (aceite natural, aire natural):
- El calor producido por el núcleo y los devanados calienta el aceite que rodea al transformador, lo que lo hace menos denso;
- El aceite caliente se mueve a través de conductos dentro de los devanados hacia la parte superior del tanque;
- El aceite caliente se libera al conservador y luego a través de radiadores, donde se enfría por aire;
- El aceite enfriado regresa a la parte inferior del transformador y fluye de nuevo a los devanados para repetir el ciclo.
Los diseños modernos permiten controlar el proceso de refrigeración con sistemas de flujo de aceite en transformadores más grandes que involucran bombas para forzar el aceite a través de los conductos de los devanados (modos OF) y ventiladores frente a los radiadores (modos AF). Los modos de refrigeración en cuestión se reflejan en la designación de la placa de identificación como ONAN, ONAF, OFAF, etc.
| Código de refrigeración | Significado | Aumento típico de capacidad | Uso común |
|---|---|---|---|
| ONAN | Aceite natural, aire natural | Calificación base | La mayoría de distribución y potencia media |
| ONAF | Aceite natural, aire forzado (ventiladores) | +20–30% mientras los ventiladores funcionan | Cargas cíclicas, espacio de sobrecarga |
| OFAF | Aceite forzado, aire forzado | +30–45% | Transformadores de potencia media a grande |
| ODAF | Flujo de aceite dirigido, aire forzado | La calificación por unidad más alta | Transformadores de gran potencia >60 MVA |
Mientras que una unidad con una clasificación de 40 MVA ONAN puede ser clasificada como 50 MVA ONAF al usar ventiladores, ya que los ventiladores aproximadamente duplican el calor disipada por el lado del aire, el aislamiento funciona como un medio compuesto. El papel y el cartón prensado constituyen la barrera de aislamiento, mientras que el líquido ocupa todo el espacio libre existente. También es importante tener en cuenta que se debe considerar el equilibrio de humedad en el papel y el aceite. El papel absorbe agua fácilmente y el aceite puede disolver agua. En la aplicación de transformadores llenos de éster, el aceite permite una alta absorción de humedad por parte del papel, lo que ralentiza el proceso de envejecimiento, mientras que en las unidades de aceite mineral aislante estándar, el agua penetra en el papel más rápido, lo que acelera el envejecimiento del papel.
Aceite mineral vs. fluidos de éster
Seleccionar el tipo de líquido es una de las especificaciones más importantes para un transformador sumergido en líquido. Las principales opciones son:
| Fluido | Punto de inflamación | Biodegradabilidad | Tolerancia a la humedad | Costo relativo del fluido | Mejor ajuste |
|---|---|---|---|---|---|
| Aceite mineral | ~160°C | Lenta | Bajo | Línea base | Subestaciones estándar |
| Mineral de alta temperatura | ~300°C | Lenta | Bajo | +20–40% | Interior, mayor margen de seguridad |
| Éster natural | >300°C | >90 en 28 días | Alto | +30–60% | Áreas de riesgo ambiental y de incendio |
| Éster sintético | >300°C | Moderado | Alto | +60–100% | Interior, alta tensión, activos críticos |
El aceite mineral sigue siendo considerado como la opción más común debido a su bajo costo y su uso muy extendido debido a sus características suficientes cuando se instala de manera efectiva con la separación de fuego adecuada y contención de aceite. Los ésteres se utilizan en casos donde se requiere cumplir con leyes o regulaciones locales respecto al uso de aceite mineral: en interiores, alrededor de cuerpos de agua, en bóvedas urbanas compactas, y activamente en los sitios que utilizan recursos renovables. Cabe mencionar que los ésteres son bastante caros en comparación con el aceite mineral: $3000 – $8000, lo que depende totalmente de la capacidad de un transformador, y tal inversión se recuperará en forma de aprobación de todos los permisos, condiciones de seguro y reducción del envejecimiento del papel.
La complejidad: Modos de falla y diagnósticos
Los transformadores llenos de líquido se descomponen de maneras bien definidas, por lo que para saber cómo operar el activo, uno debe comprender:
- Envejecimiento del aislamiento: La principal causa de falla, debido a la influencia de la temperatura y la humedad. Cada seis grados (Celsius) de exceso térmico reduce a la mitad la vida útil del aislamiento de papel.
- Ingreso de humedad: Traumas sufridos por el aislamiento interno a través de sus respiraderos, fugas y juntas envejecidas. Más humedad reduce la resistencia dieléctrica.
- Descargas parciales y arco: Mantenimiento de la atmósfera donde los gases producidos son idénticos a los que detecta el DGA.
- Fallos térmicos: El aumento de la temperatura del aceite interno debido a contactos deficientes o ductos bloqueados también causa desarrollos de gas.
- Mal funcionamiento del cambiador de tomas: Detalles dentro de un cuerpo lleno de aceite que se desgastan con la operación.
Cada causa de mal funcionamiento deja una práctica de “rastro de gas”: ahora el líquido puede ser llamado una “muestra de diagnóstico viva” a un costo de $200–600 visitas por año. Con el monitoreo en línea de múltiples gases a un precio de $8000–40000, ha sido posible monitorear el estado de los transformadores llenos de aceite de alguna manera.
Especificaciones típicas por clasificación
| Clasificación | Clase de voltaje | Impedancia | Refrigeración | Pérdida típica (sin carga / carga) |
|---|---|---|---|---|
| 500 kVA | 10–35 kV | 4–4.5% | ONAN | ~1.0 / ~5.2 kW |
| 1,000 kVA | 10–35 kV | 4.5–5% | ONAN | ~1.7 / ~10.5 kW |
| 10 MVA | 35–110 kV | 7.5–8% | ONAN/ONAF | ~10 / ~50 kW |
| 40 MVA | 110–220 kV | 10–12% | ONAN/ONAF/OFAF | ~30 / ~170 kW |
| 100 MVA | 110–220 kV | 12–14% | OFAF/ODAF | ~70 / ~380 kW |
Los números se refieren a la especificación IEC 60076 y cambian dependiendo de la categoría de pérdida, tipos de materiales y productor. Sin embargo, la tendencia siempre está presente: la impedancia aumenta con la clasificación de potencia para mantener las corrientes durante una falla bajo control, la refrigeración se vuelve más intensa durante la operación y las pérdidas aumentan a un ritmo más lento que la potencia, lo que hace que la eficiencia aumente con el tamaño: una máquina de 100 MVA puede alcanzar una eficiencia que supera el 99.7%.
Eficiencia y economía de vida útil
El costo de los transformadores llenos de líquido depende de las pérdidas, y estas pérdidas son significativas. Por ejemplo, si tomamos un equipo eléctrico de 40 MVA con 30 kW de pérdida en vacío y 170 kW de pérdida en carga a 60% de utilización:
- La pérdida en vacío sería: 30 kW mantenidos durante 8,760 horas: 30 × 8,760 = 263 MWh/año.
- Las pérdidas en carga serían: 170 kW × 0.36 × 8,760 horas = 536 MWh/año.
- El número resultante es: La suma de estos es aproximadamente 800 MWh/año valorados en $56,000-$80,000 basado en $0.07-0.10/kWh.
En 25 años, las pérdidas totales ascenderían a $1.4-$2.0 millones – esto es varias veces más alto que el valor de compra del equipo. Por lo tanto, esta es la principal razón por la que las empresas tienen en cuenta las pérdidas al estimar los gastos de energía y prefieren adquirir unidades con precios más altos pero con menores pérdidas. Hay una regla general, por cada diferencia de 10 kW de pérdidas, los costos deben evaluarse en $7,000 – $8,700 por año de operación continua en vacío o ajustados según la relación de utilización para las pérdidas en carga.
| Ejemplo de 40 MVA | Pérdida (kW) | Energía anual (MWh) | Costo a $0.08/kWh durante 25 años |
|---|---|---|---|
| Pérdida en vacío (P0) | 30 | 263 | $525,000 |
| Pérdida en carga (Pk) a 60% de factor de carga | 170 | 536 | $1,072,000 |
| Total | — | 799 | $1,597,000 |
| Precio de compra de referencia | — | — | $220,000-$400,000 |
Panorama de marcas y precios
El mercado de transformadores sumergidos en líquido involucra a casi todos los fabricantes de transformadores sin excepciones. Los detalles típicos del precio FOB:
| Marca | Origen | 1 MVA | 10 MVA | 40 MVA |
|---|---|---|---|---|
| Hitachi Energy | Japón/Global | $22,000–$34,000 | $55,000–$82,000 | $250,000–$400,000 |
| Siemens Energy | Alemania/Global | $21,000–$32,000 | $50,000–$75,000 | $240,000–$380,000 |
| ABB | Suiza/Global | $20,000–$31,000 | $52,000–$78,000 | $240,000–$390,000 |
| Schneider Electric | Francia/Global | $19,000–$29,000 | $48,000–$72,000 | — (enfoque en distribución) |
| Hyundai / Toshiba | Corea/Japón | $18,000–$28,000 | $46,000–$68,000 | $220,000–$350,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | $14,000–$22,000 | $28,000–$48,000 | Hasta clase 110kV bajo solicitud |
Las diferencias de precio entre las gamas de productos se observan principalmente en productos costosos donde entran en juego la complejidad de ingeniería, el historial de pruebas y el servicio global. Por otro lado, en productos de gama baja, las diferencias de precio casi se han colapsado debido a la estandarización de la tecnología y al aumento en la disponibilidad de certificaciones.
Jiangsu Subian Electric Power es una empresa china dedicada a la producción de transformadores de distribución de tipo sumergido en líquido con capacidades nominales para 35-110 kV, conforme a IEC 60076. La línea de productos de Subian incluye transformadores fabricados con aceites minerales así como ésteres y que cuentan con diferentes configuraciones de reguladores de tensión bajo carga y clasificaciones de eficiencia. Los productos son utilizados con éxito por empresas de servicios públicos y contratistas EPC en toda Asia y África.
Operación adecuada de una unidad sumergida en líquido
La operación eficiente de un transformador relleno de aceite debe considerarse una tarea rutinaria, no un proyecto:
- Realice muestreos de aceite utilizando IEC 60422 anualmente. Se debe completar la prueba DGA y el aceite debe ser analizado para resistencia dieléctrica, contenido de agua, acidez y tangente delta. En caso de cualquier cambio en las proporciones, mantenga el muestreo regular.
- Se debe realizar una inspección trimestral para lo siguiente: gel de sílice en el respiradero, nivel de aceite, fugas, limpieza del radiador y vegetación circundante.
- El mantenimiento del cambiador de tomas debe realizarse según su uso. Los cambiadores de tomas de tipo relleno de aceite suelen soportar entre 50,000 y 100,000 operaciones.
- Se deben tomar lecturas de temperatura: temperatura del aceite superior y temperatura del devanado conforme a las curvas de carga IEC 60076-7. Investigue la causa de una corriente ascendente si ocurre.
- Se deben realizar pruebas a los dispositivos de protección. Las pruebas deben incluir la verificación del gas del relé Buchholz y disparos por sobretensión, la válvula de alivio de presión y ambas alarmas de temperatura.
Preguntas Frecuentes
¿Por qué la mayoría de los transformadores grandes son sumergidos en líquido en lugar de tipo seco?
La refrigeración y el aislamiento líquidos han demostrado ser muy superiores, ya que el aceite tiene una conductividad térmica aproximadamente 30 veces mayor que la del aire y ofrece una resistencia dieléctrica mucho mayor. A partir de un cierto nivel de potencia, la inmersión líquida ofrece un mejor rendimiento, reduciendo el espacio de instalación y reduciendo costos. El tipo de transformador seco se utiliza generalmente en lugares donde las preocupaciones de incendio y contención impiden el uso de aceite — para menos de aproximadamente 5 MVA.
¿Cuál es la diferencia entre inmersión en aceite e inmersión líquida?
No hay ninguna. Inmersión en aceite es el antiguo término para la tecnología de transformadores de aceite; inmersión líquida se utiliza ampliamente para abarcar aceite, fluidos de éster natural, fluidos de éster sintético y fluidos de silicona también. Por lo tanto, en este caso, el término recomendado es inmersión líquida. Sin embargo, una vez que se elige el fluido, es aconsejable mencionarlo y ponerlo en la especificación.
¿Cuánto cuesta un transformador de inmersión líquida?
Los precios varían considerablemente dependiendo de la potencia nominal, el fabricante, el número y tipos de características adicionales; sin embargo, como estimación aproximada se pueden indicar los siguientes costos: para modelos de 500 kVA cuestan entre 6000 y 16,000, mientras que las unidades de 1000 kVA cuestan alrededor de 14,000 a 34,000 y 10 MVA cuestan entre 28000 y 82000. También se debe tener en cuenta el hecho de que los fluidos de éster son más caros que el aceite mineral, y la diferencia de precio puede alcanzar del 30 al 100 por ciento.
¿Valen la pena los transformadores llenos de éster el precio adicional?
El hito del uso de ésteres es que en casos donde el aceite mineral ordinario será difícil de usar debido a regulaciones contra incendios o estándares ambientales, los fluidos de éster serán la mejor alternativa. La razón es que tienen varias ventajas, incluyendo un punto de inflamación superior a 300°C, biodegradabilidad y retardación del proceso de envejecimiento del papel. Aunque los fluidos son más caros entre el 30 y el 100%, su uso puede justificarse debido a posibles permisos de las autoridades pertinentes y por razones de seguros que pueden finalmente demostrar el valor del precio más alto.
¿Con qué frecuencia debe probarse el aceite del transformador?
Para transformadores en modo de operación estándar, la frecuencia de prueba debe ser anual según lo prescrito por las normas IEC 60422. En otros casos, si ocurren cambios importantes por encima del nivel base, entonces se debe realizar una prueba mensual para identificar cambios y tendencias relevantes.
Referencias
- IEC 60076-1: Transformadores de potencia – General — Clasificaciones, aumento de temperatura y requisitos de prueba para transformadores de potencia de inmersión líquida.
- IEC 60076-3: Niveles de aislamiento y pruebas dieléctricas — Requisitos de prueba de impulso y dieléctricos por clase de voltaje.
- IEC 60296: Especificación de aceites aislantes minerales — Requisitos de calidad para nuevo aceite de transformador.
- IEC 60422: Orientación sobre supervisión y mantenimiento para aceites aislantes minerales — Límites y horarios de prueba de aceite en servicio.
- IEEE C57.12.00: Transformadores de distribución y potencia sumergidos en líquido — Requisitos generales de América del Norte para unidades de inmersión líquida.
- IEEE C57.104: Interpretación de gases generados en transformadores sumergidos en aceite — Interpretación de DGA y niveles de acción.
- Sitio oficial de Jiangsu Subian Electric Power — Productos de transformadores de inmersión líquida, opciones de fluidos y documentación de prueba.
Conclusión
Los transformadores llenos de líquido tienen un firme control sobre la red eléctrica, ya que mantienen la mejor eficiencia posible para enfriar e aislar máquinas eléctricas sustanciales. Si bien algunos aspectos — química de fluidos, gestión de puntos calientes, reguladores, monitoreo — pueden ser complicados, las reglas y procedimientos los hacen lo suficientemente manejables, proporcionando una ventaja de eficiencia que los sistemas de tipo seco no pueden lograr.
Puntos principales a recordar:
- El enfriamiento líquido hace posible alcanzar una eficiencia >99% en transformadores medianos y grandes, mientras que no proporciona ninguna ventaja para maquinaria de tipo seco en esta clasificación de potencia.
- El aceite mineral es el líquido tradicional; los fluidos de éster justifican su precio basado en $30-$100 por prácticamente todas partes en caso de incendios y problemas ecológicos.
- La prueba anual de DGA puede costar entre $200-$600, pero trae la mayor rentabilidad en la ingeniería eléctrica.
- Prepárese para pagar entre $6,000-$400,000, ignorando pérdidas mientras se tiene en cuenta el rendimiento de un transformador.