Un ingeniero de servicios públicos ubicado en el norte de Canadá está diseñando una especificación para un transformador de 25 MVA que operará en una subestación con niveles de temperatura que bajan de -40°C durante el mes de enero. Los transformadores tienen grandes dispositivos de enfriamiento, su tanque está especialmente construido para soportar las fuertes cargas de viento y nieve, por lo que lo único que preocupa al ingeniero es el tipo de aceite utilizado para el tanque. La persona sabe lo que significa seleccionar el incorrecto aceite de transformador para operar en clima frío. El aceite se espesará cuando las temperaturas bajen, la bomba comenzará a cavitar y el aceite dejará de fluir a través de los dispositivos de enfriamiento, por lo que los devanados se calentarán incluso si la temperatura exterior es de -30°C. El transformador que ha pasado sus pruebas con éxito funcionará como un generador de alarma en la primera temporada de invierno.
Este artículo discute todo lo que debe saber un comprador o ingeniero de especificaciones sobre la selección de aceite de transformador en transformadores llenos de aceite para áreas de clima frío, incluyendo las principales características, normas, ventajas y desventajas del uso de aceites parafínicos y nafténicos, diferencias de precios y el algoritmo de selección de aceite.
Por qué el aceite para transformadores se vuelve problemático
El aceite de transformador tiene dos propósitos principales: enfría los devanados del transformador mediante la eliminación de calor hacia las paredes del tanque y aísla los devanados del estrés eléctrico. Aunque ambas funciones dependen de la capacidad del aceite para fluir, en climas fríos la viscosidad del aceite aumentará y la circulación se ralentizará, lo que resulta en el calentamiento de los devanados del transformador mientras la temperatura exterior es baja. Durante temperaturas muy bajas, el aceite mineral puede alcanzar su punto de fluidez, la temperatura a la que el aceite deja de fluir completamente, lo que significa que el enfriamiento se detiene.
Hay un desafío más relacionado con el aceite en invierno: la condensación de humedad. El aceite en un transformador con conservador se mueve durante su operación, y cuando el aire que es más cálido y húmedo entra a través del tanque frío, el agua se enfriará y se unirá al aceite. El agua en el aceite de transformador destruye las propiedades dieléctricas del aceite; varios cientos de partes de agua disminuirán la tensión de ruptura del aceite de 60 kV a menos de 30 kV, por lo que los desafíos de la selección de aceite de transformador para clima frío consisten en entender tanto la fluidez como la gestión de la humedad.
La última característica peculiar de la operación en invierno es el arranque. El aceite que se utiliza en el transformador debe ser energizado a la temperatura de congelación del aceite sin calentarlo primero, porque inmediatamente después de energizar, el aceite debe circular y crear las condiciones de temperatura necesarias en cada parte del transformador.
Propiedades clave a baja temperatura
| Propiedad | Lo que mide | Objetivo para regiones frías | Grado estándar (templado) |
|---|---|---|---|
| Punto de fluidez | La temperatura más baja a la que fluye el aceite | -40°C a -60°C | -30°C |
| Viscosidad cinemática @ 40°C | Fluidez base a temperatura de operación | 8-12 mm²/s | 9-12 mm²/s |
| Viscosidad cinemática @ -30°C | Fluidez en frío; el número clave de baja temperatura | Por debajo de 1,500 mm²/s (límite típico) | No especificado |
| Punto de inflamación | Seguridad contra incendios; más alto es mejor | > 135°C (mineral), > 250°C (éster) | > 135°C |
| Tensión de ruptura (BDV) | Resistencia dieléctrica después del acondicionamiento | > 70 kV (nuevo, IEC 60156) | > 70 kV |
| Contenido de agua | Nivel de humedad; debe ser mínimo | < 30 ppm (aceite nuevo) | < 30 ppm |
Cuando se trata de zonas de clima frío, el punto de fluidez y la viscosidad a baja temperatura juegan un papel importante. Un valor de -30 grados Celsius es apropiado para climas con temperaturas de -10 grados Celsius; sin embargo, es completamente ineficaz a temperaturas de -40 grados Celsius. El aceite en cuestión debe permanecer por encima de su punto de fluidez, incluso a la temperatura mínima registrada.
Tipos de aceite para regiones frías
| Tipo de aceite | Punto de fluidez | Punto de inflamación | Precio por litro | Mejor uso |
|---|---|---|---|---|
| Aceite mineral estándar (IEC 60296) | -30°C | > 135°C | $1.5-$2.5 | Climas templados |
| Aceite mineral nafténico de bajo punto de fluidez | -40°C a -60°C | > 135°C | $2.5-$4 | Regiones frías hasta -50°C |
| Hidrocarburo de alto peso molecular | Varía | > 250°C | $4-$8 | Sitios propensos a incendios y fríos |
| Éster sintético (IEC 61099) | -40°C a -60°C | > 250°C | $6-$15 | Frío + seguridad contra incendios + biodegradabilidad |
| Fluido de silicona | -50°C o inferior | > 300°C | $15-$30 | Aplicaciones especiales de seguridad contra incendios |
En la mayoría de los procesos industriales y de servicios públicos en regiones frías, los aceites minerales nafténicos con bajo punto de fluidez representan el caballo de batalla. Proporcionan la fluidez necesaria a aproximadamente la mitad del precio de los ésteres sintéticos. Los ésteres sintéticos se utilizan cuando es necesario en respuesta a los códigos de incendios y la legislación ambiental que rige el rendimiento en frío y proporciona un punto de inflamación superior a 300°C. El fluido de silicona representa la opción que ofrece un alto rendimiento a un costo muy alto.
Aceite nafténico vs. Aceite parafínico
| Característica | Aceite nafténico | Aceite parafínico |
|---|---|---|
| Contenido de cera | Muy bajo | Más alto; forma cristales de cera en frío |
| Punto de fluidez | Naturalmente bajo (alcanzable de -40°C a -60°C) | Más alto; necesita desparafinado pesado |
| Fluidez a baja temperatura | Excelente | Se degrada bruscamente cerca del punto de fluidez |
| Estabilidad a la oxidación | Buena | Buena (base ligeramente mejor) |
| Comportamiento de absorción de gas | Mejor absorción de gas | Generalmente bien, pero la cera es el problema |
| Disponibilidad en grados fríos | Estándar para especificaciones de regiones frías | Rara vez utilizado para regiones frías |
Hay un acuerdo prominente entre los ingenieros respecto al uso de aceites nafténicos en zonas frías. El hecho de que los aceites parafínicos contengan cera causa un problema importante en invierno, ya que la cera se solidifica cuando hace frío, lo que lleva a un aumento de la viscosidad y a la posterior incapacidad del aceite para fluir, que es precisamente el problema que hace que la refrigeración de transformadores sea ineficaz en invierno. La baja temperatura de vertido del aceite nafténico y su buena capacidad para trabajar en condiciones frías lo hacen formalmente aceptado para cada especificación seria en regiones frías, con muchos fabricantes de transformadores especificando realmente el grado nafténico preferido en el dibujo del sistema de aceite.
Parámetros y límites de especificación
es esencial incluir los siguientes valores:
Normas: IEC 60296 para aceites minerales; IEC 61099 para ésteres sintéticos; ASTM D3487 para América del Norte.
Punto de fluidez: Mínimo -40°C para temperaturas alrededor de -30°C; mínimo -60°C para temperaturas por debajo de -35°C.
Viscosidad cinemática a 40°C: 8 a 12 mm²/s y verificar la viscosidad a -30 °C para asegurar que esté por debajo del límite máximo de circulación establecido por los fabricantes; este límite suele ser alrededor de 1,500 mm²/s.
Punto de inflamación: Superior a 135 °C para aceites minerales; consulte el valor exacto indicado en el certificado.
Resistencia a la ruptura dieléctrica: Superior a 70 kV para aceite nuevo según las normas IEC 60156.
Contenido de agua: 30 ppm máx; la descarga de aceite debe cumplir con este requisito.
Resistencia dieléctrica y concentración de ácido: Cumplir con las propiedades establecidas en IEC 60296 para aceites nuevos.
No olvide mencionar el punto de fluidez en los contratos. “Aceite de región fría” no es lo suficientemente claro. El aceite de región fría a veces se denomina aceite de baja temperatura, y podría terminar comprando aceite de grado estándar de -30°C sin que el contrato mencione el punto de fluidez.
La siguiente matriz puede ayudarle a decidir sobre la temperatura mínima para el sitio específico:
| Sitio Mínimo Extremo | Punto de Fluidez Requerido | Familia de Aceite | Precio aproximado por litro | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Superior a -20°C | -30°C | Mineral estándar (IEC 60296) | $1.5-$2.5 | El grado estándar es suficiente |
| -20°C a -35°C | -40°C | Low-pour naphthenic | $2.5-$3.5 | Most common cold-region spec |
| -35°C to -50°C | -50°C to -60°C | Naphthenic or synthetic ester | $3.5-$15 | Check low-temperature viscosity |
| Below -50°C | -60°C or lower | Synthetic ester or silicone | $8-$30 | Confirm pump and gasket ratings |
The Selection Process
Determine the lowest temperature in the site. Take the extreme lowest temperature into account rather than the mean winter temperature, also add 10 or 15 K safety margin.
Determine the required pour point. In case of a site temperature of -40°C for instance, specify -55°C or -60°C pour point oil so that the oil will remain liquid.
Check the low-temperature viscosity. Consult the manufacturer of the transformer about the oil viscosity in case of -30°C since this is the information that will ensure the effectiveness of the cooling system.
Choose the oil type. If economy is the goal, use naphthenic mineral oil; synthetic ester in case of fire and environmental regulations; and silicone only on an obligation basis.
Check the compatibility of the transformer. Make sure that gaskets, pumps, and breathers are compatible with the oil and support the extreme temperature; for the -40°C site, it may be necessary to choose special gaskets designed for such low temperatures.
Make sure to obtain the certificate. It needs to cover the pour point, viscosity, BDV, water content, and flash point as per your requirements.
Application by Region and Climate
- Northern China, Mongolia, areas in northern USA (-30°C to -40°C): low pour point naphthenic oil with -40°C pour point.
Canada, Siberia, northern Scandinavia (below -40°C): oils with -55°C to -60°C pour points utilized, often synthetic esters for the coldest sites.
High-altitude locations (Andes, Tibet, Alps): combination of cold environment and less cooling at altitudes, requiring derate and use of cold-class oil.
Offshore and cold marine conditions: use of naphthenic and ester oils with strict moisture control.Altitudes add to cold difficulties: at 3,000 meters, air density is roughly 30 percent lower, making it less efficient naturally cooling transformers, which have to be derated or assigned a higher cooling stage before temperature starts being addressed.
Brands and Price Comparison
| Marca | Origin | Cold-Region Offerings | Precio aproximado por litro |
|---|---|---|---|
| Shell | Netherlands/UK | Diala S4 ZX-I, Diala AX (low-pour naphthenic) | $2-$4 |
| ExxonMobil | USA | Mobil 3910-60 (paraffinic, pour -60°C), Unvolt | $2.5-$4.5 |
| Nynas | Sweden | Nytro Libra, Nytex 620 (naphthenic specialists) | $2-$4 |
| Ergon | USA | Hyvolt III, cold-grade naphthenic oils | $2-$3.5 |
| MIDEL (M&I Materials) | UK | MIDEL 7131 synthetic ester (pour -56°C) | $8-$15 |
| Jiangsu Subian Electric Power (with brand-name oil) | China | Transformers supplied filled with specified cold-grade oil | Oil bundled; units priced competitively |
The oil industry is dominated by global companies specializing in lubricants and esters, including Shell, ExxonMobil, Nynas, Ergon, and MIDEL, whose cold products have been used all across the globe. In the case of the transformer, the oil type is usually specified in the contract, and companies such as Jiangsu Subian Electric Power provide the transformer with the cold oil specified as per the contract and indicate the oil filling on the certificate. Indeed, this is critical for cold places because the oil is not a consumable item and cannot be replaced; it is part of the thermal design of the transformer. Subian’s cold region transformers are supplied with the certificate indicating the pour point and viscosity of the oil, and the prices for the filled transformer are usually 40-60% less than the prices quoted for similar units produced by European manufacturers.
How to Choose the Right Oil
Apply the site’s worst-case surmise minimum temperature plus tolerance to choose the requirement for pouring point.
Select naphthenic oils for cold environments and avoid paraffinic products unless they have been dewaxed to meet the parameter of pouring point.
Indicate the limit of viscosity at low temperatures to ensure that the cooling system is operational.
Find the oil family compliant with the fire and environmental codes, not only with the thermometer.
Check whether the gasket and pump materials are appropriate for the extreme temperature conditions.
Demand from the certificate showing the pouring point, viscosity, BDV, water content and flash point.
Handling, Storage, and Cold Start-Up
Cold-region oil handling has a particular discipline of its own. Drums, tanks and heat-transferring pipes need to be located above oil’s pouring point so that oil remains pumpable; many sites resort to heated storage and transferring lines. Before filling, oil has to be vacuum-degassed and dried up to below 30 ppm water content due to the fact that cold air contains very little moisture while the warm oil coming from storage would condense it. Usually, one would install filters with 1-5 microns and a vacuum dryer while filling transformers with oil in cold regions.
When starting the equipment in cold conditions, it is very important to follow the sequence – switch on the transformer and let the oil circulate for 10-30 minutes before putting significant load in order to avoid formation of hot spots in stagnant cold oil. Some operators would keep pumps in operation during the coldest nights instead of setting the control system on the temperature of oil being pumped. The rules of operation should be included in the maintenance manual of the site not just in its specifications.
Preguntas Frecuentes
Which transformer oil is appropriate for cold locations?
For use in applications in the cold regions, using low-pour-point naphthenic mineral oil approved by IEC 60296 is the best deal: the oil remains liquid at temperatures from -40°C to -60°C and costs approximately $2.5-$4 per liter. Synthetic esters, priced at about $8-$15 per liter, provide both improved fire safety and biodegradability, but at the same levels of performance in the cold. Standard oil, with a pour point of -30°C, is not sufficient for sites experiencing temperatures below approximately -25°C.
What is meant by pour point of transformer oil?
Pour point is defined as the temperature at which the oil is still flowing. At this temperature, circulating stops, and, consequently, the transformer does not cool, resulting in overheating of the winding regardless of freezing weather. Standard oil of the transformer has a pour point of -30°C; oil for cold regions is rated at -40°C, -45°C, or -60°C depending on the site.
Is naphthenic or paraffinic transformer oil better for winter?
Definitely naphthenic. Paraffinic oils contain paraffin that crystallizes at cold temperatures, increasing viscosity to the point of preventing oil from flowing at all, which means that transformer cannot be cooled at these temperatures. Naphthenic oil is naturally low pour-point and flows well in the cold, which is why oil specifications for cold regions almost always require naphthenic grade oil.
How much does transformer oil for cold regions cost?
Standard mineral oil is priced at $1.5-$2.5 per liter, low-pour-point naphthenic oil costs $2.5-$4 per liter, synthetic esters cost $6-$15 per liter, and silicone oil costs $15-$30 per liter. The oil price difference is around $10,000–$20,000 for a 10,000-liter transformer, which is not large compared to the winter failure cost.
Can I use standard transformer oil if I just derate the transformer?
Derating helps with heat, not with cold fluidity. If the oil’s pour point is above the site minimum, the oil will stop flowing regardless of how little load the transformer carries. The specification must be driven by the site temperature, and the transformer and oil selected as one thermal system. Cold-grade oil is not optional for genuinely cold sites.
References
- IEC 60296 — Fluids for Electrotechnical Applications, Unused Mineral Insulating Oils — The master standard for mineral transformer oil grades and pour points.
- IEC 61099 — Synthetic Organic Esters for Electrical Purposes — The standard for synthetic ester insulating oils.
- ASTM D3487 — Standard Specification for Mineral Insulating Oil Used in Electrical Apparatus — North American mineral oil specification.
- IEC 60156 — Insulating Liquids, Determination of the Breakdown Voltage — The dielectric test method for BDV.
- IEEE C57.106 — Guide for Acceptance and Maintenance of Insulating Mineral Oil — Oil acceptance criteria and moisture limits.
- Nynas — Transformer Oil Solutions — Specialist naphthenic oil grades and application guidance.
- M&I Materials — MIDEL Ester Fluids — Synthetic ester products with published low-temperature data.
Conclusion
This means that while buying transformer oil for cold conditions is not only about the lubricant itself, it has to do with thermal design. The pour point, low temperature viscosity and water content determine if the cooling system will work through the coldest night, while the type of oil defines the fire and environmental risk. With the correct information on paper the transformer will serve for years; otherwise one will pay dearly in the winter.
- Specify pour point from the site’s extreme minimum plus margin, not from a catalog default.
- Choose naphthenic oil for cold regions; use esters only where fire or environment demands it.
- Verify low-temperature viscosity against the manufacturer’s circulation limit.
- Buy the oil and the transformer as one system, and put the certificate in the contract.
For oil-immersed transformers filled with the correct cold-grade oil and certified to IEC 60296, contact Jiangsu Subian Electric Power at www.subian-electric.com — specify your site’s minimum temperature and the pour point requirement, and they will quote the filled unit with the certificate included.