Disipación de calor en transformadores sumergidos en aceite: circulación de aceite y diseño del radiador.

La disipación de calor en transformadores sumergidos en aceite funciona mediante un ciclo continuo: el aceite caliente asciende desde los devanados y el núcleo, fluye hacia los radiadores donde libera calor al aire circundante, se enfría y regresa al tanque. La velocidad de circulación del aceite y la superficie de los radiadores determinan la cantidad de calor que el transformador puede disipar sin exceder su límite de temperatura de aislamiento. En este artículo, aprenderá el mecanismo exacto, cómo verificar y mejorar la refrigeración en una unidad instalada y los errores que provocan el sobrecalentamiento.

Por qué funciona: El mecanismo de circulación del petróleo

La disipación de calor en un transformador sumergido en aceite se basa en tres procesos interrelacionados: conducción, convección y radiación. El calor generado por las pérdidas de cobre en los devanados y las pérdidas de hierro en el núcleo se conduce al aceite circundante. El aceite absorbe este calor, disminuye su densidad y asciende. Esta diferencia de densidad es la fuerza impulsora de la circulación natural del aceite; en el diseño básico no se requiere bomba.

El aceite caliente entra al radiador por el tubo superior. Al descender por los paneles del radiador, transfiere calor a la superficie de acero, que a su vez lo transfiere al aire ambiente por convección y radiación. El aceite enfriado sale por el tubo inferior y regresa al depósito, donde vuelve a absorber calor. Este ciclo cerrado se mantiene mientras exista una diferencia de temperatura entre el aceite y el aire ambiente.

El diseño del radiador determina la superficie disponible para la disipación del calor. Un mayor número de paneles, paneles más altos o paneles con aletas corrugadas aumentan la superficie. La siguiente tabla resume las diferencias entre los principales modos de refrigeración.

Para las series S y SZ que se describen en este artículo, la capacidad varía de 30 a 31 500 kVA, con tensiones nominales altas de 6 kV a 38,5 kV y bajas de 0,38 kV a 0,72 kV. El aislamiento es de clase A y la impedancia se encuentra entre 4% y 10%. Estos parámetros son importantes porque mayores pérdidas por unidad de volumen requieren proporcionalmente mayor superficie de radiador.

Cómo comprobar y mejorar la disipación del calor

Siga estos pasos en orden. Cada paso puede completarse de forma independiente, pero la secuencia completa le proporcionará una imagen térmica completa.

1. Mida la temperatura del aceite superficial. Utilice un termómetro infrarrojo calibrado o el indicador de temperatura de aceite superior integrado. Registre la lectura después de que el transformador haya funcionado a carga constante durante al menos 3 horas. El aislamiento de clase A tiene un límite de temperatura definido, así que compare su lectura con el límite indicado en la placa de características.
2. Mide la temperatura ambiente. Tome la lectura a 1-2 metros del radiador, lejos de la luz solar directa. La diferencia entre la temperatura del aceite y la temperatura ambiente es el aumento de temperatura.
3. Compruebe la temperatura del aceite del fondo. Si la diferencia entre el aceite de la superficie y el aceite del fondo es pequeña (aproximadamente entre 3 y 5 °C), la circulación del aceite puede verse restringida. Un gradiente grande confirma una circulación adecuada.
4. Inspeccione las superficies de los radiadores. Busque polvo, nidos de pájaros o residuos entre los paneles. La obstrucción del flujo de aire entre los paneles reduce la superficie efectiva. Limpie con aire a baja presión o agua.
5. Verifique la posición de las válvulas. Compruebe que las válvulas de aislamiento superior e inferior del radiador estén completamente abiertas. Una válvula parcialmente cerrada restringe el flujo de aceite y es una causa común de sobrecalentamiento.
6. Compruebe el funcionamiento del ventilador (si es ONAF). Verifique que los ventiladores giren libremente y estén conectados al circuito de control correcto. Un fallo en el conjunto de ventiladores puede reducir significativamente la capacidad de refrigeración efectiva.
7. Calcula la superficie necesaria. Para una pérdida total determinada, la superficie del radiador necesaria se ajusta al aumento de temperatura admisible. Si el aumento de temperatura medido supera el valor de diseño, añada paneles radiadores o cambie a refrigeración por aire forzado.
8. Documentar y analizar tendencias. Registre todas las lecturas con la fecha, el nivel de carga y la temperatura ambiente. El análisis de la tendencia a lo largo de las semanas revela una degradación gradual debida a la acumulación de incrustaciones o a la degradación del aceite.

Como ejemplo concreto: una unidad de la serie S de 1000 kVA con impedancia de 41 TP3T opera con una carga de 601 TP3T a 30 °C de temperatura ambiente. Si la temperatura del aceite superior es de 75 °C, el aumento es de 45 °C. Tras limpiar una sección del radiador obstruida y abrir completamente una válvula inferior estrangulada, la temperatura del aceite superior desciende a 62 °C, lo que supone una mejora de 13 °C con solo dos correcciones sencillas. Este resultado se puede reproducir en cualquier unidad que presente los mismos síntomas.

Errores comunes y cómo solucionarlos

Error 1: Suponer que todos los radiadores funcionan igual. Síntoma: temperaturas desiguales en los paneles: algunos están calientes, otros fríos. Solución: mida la temperatura de cada panel con un termómetro infrarrojo. Los paneles fríos indican una obstrucción en el flujo de aceite, generalmente debido a una válvula cerrada o acumulación de lodo. Limpie la sección afectada y vuelva a realizar la prueba.

Error 2: Ignorar la temperatura ambiente en la clasificación. Síntoma: el transformador se sobrecalienta solo en verano o durante olas de calor. Solución: la potencia nominal se basa en una temperatura ambiente específica (generalmente un máximo de 40 °C). Si en su instalación se supera este valor con regularidad, debe reducir la potencia o aumentar la capacidad de refrigeración. No se limite a restablecer el umbral de alarma.

Error 3: Pintar los radiadores con capas gruesas. Síntoma: aumento gradual de la temperatura tras un repintado de mantenimiento. Solución: las capas gruesas de pintura actúan como aislante en la superficie del radiador. Utilice únicamente recubrimientos finos compatibles con la transferencia de calor y nunca aplique varias capas gruesas. Si ya se ha pintado, consulte a un profesional cualificado para su correcta eliminación.

Error 4: Mezclar diferentes tipos de aceite o rellenar con aceite incompatible. Síntoma: el aceite se oscurece rápidamente, la temperatura aumenta y el análisis de gases disueltos muestra resultados anormales. Solución: utilice siempre aceite que cumpla con las especificaciones originales. Un aceite incompatible puede formar sedimentos que recubren el interior del radiador y obstruyen la circulación.

Error 5: Obstruir el flujo de aire con estructuras cercanas. Síntoma: lecturas normales en un lado, lecturas elevadas en el lado que da a una pared o valla. Solución: mantenga la distancia de seguridad especificada en el manual de instalación. Para instalaciones exteriores, asegúrese de que haya al menos 1 metro de circulación de aire sin obstrucciones alrededor del conjunto de radiadores.

PREGUNTAS FRECUENTES

P: ¿Cómo puedo saber si el sistema de circulación de aceite de mi transformador está funcionando correctamente?
A: Mida las temperaturas del aceite superior e inferior. Una unidad en buen estado muestra una clara diferencia: el aceite superior está notablemente más caliente que el inferior. Si ambas temperaturas son casi iguales, es probable que la circulación esté restringida. También puede tocar los tubos del radiador: el tubo superior debe estar más caliente que el inferior durante el funcionamiento.

P: ¿Puedo añadir más radiadores a un transformador ya existente?
R: En muchos casos sí, pero requiere una revisión de ingeniería. Debe confirmar que el tanque puede soportar el peso adicional, que las conexiones de tubería existentes pueden manejar un mayor caudal y que la superficie adicional coincide con el perfil de pérdidas. Consulte al fabricante original o a un profesional cualificado antes de realizar cualquier modificación.

P: ¿Cuál es la diferencia entre los sistemas de refrigeración ONAN y ONAF?
A: ONAN se basa completamente en la convección natural tanto del aceite como del aire. ONAF incorpora ventiladores que impulsan el aire a través de los paneles del radiador, aumentando así el coeficiente de transferencia de calor. Las unidades ONAF suelen soportar cargas más elevadas en el mismo espacio, pero requieren ventiladores y mantenimiento.

P: ¿Con qué frecuencia se deben limpiar los radiadores?
A: Inspeccione cada 6 meses y limpie cuando observe acumulación visible de polvo o cuando la temperatura aumente más de 5 °C sin que cambie la carga. En entornos polvorientos o industriales, inspeccione trimestralmente.

P: ¿Afecta el nivel de aceite a la disipación del calor?
R: Sí. Un nivel bajo de aceite deja al descubierto la parte superior de los devanados y reduce el volumen de aceite disponible para transportar el calor a los radiadores. Compruebe el indicador de nivel de aceite con la marca de corrección de temperatura y rellene con el tipo de aceite adecuado si el nivel es bajo.

P: ¿Qué rango de impedancia debo esperar para estos transformadores?
A: Las series S y SZ utilizan una impedancia entre 4% y 10%, según la clasificación y la clase de tensión. Una mayor impedancia reduce las corrientes de cortocircuito, pero puede aumentar ligeramente las pérdidas de carga. Siempre verifique la placa de características antes de realizar cálculos térmicos.

Para obtener más información sobre la evaluación térmica de transformadores y las guías de carga, consulte la IEEE biblioteca de estándares y la IEC tienda web que publica los estándares reconocidos de carga y aumento de temperatura utilizados en toda la industria.