Calentamiento y refrigeración de Transformadores

El transformador es una máquina de elevado rendimiento. Sin embargo las pérdidas en sus partes activas como circuitos magnéticos y arrollamientos son origen de un desprendimiento de calor que, si no es evacuado a medida que se produce llevaría a los elementos del transformador a temperaturas perjudiciales para su buen funcionamiento.

Por eso el fluido de los transformadores además de ser un líquido aislante sirve como elemento de transmisión de calor a los elementos donde se disipa. Por tanto la eficacia del sistema de disipación determina la capacidad térmica y la vida del aislamiento del transformador.

● Designación y disposición de símbolos (IEC 60076-2).

Los transformadores se designarán según el método de refrigeración empleado. Los símbolos literales que corresponden a cada método de refrigeración se indican en la tabla 2.

Los transformadores se designarán por cuatro símbolos para cada uno de los métodos de refrigeración los cuales han de venir especificados en la placa de características del transformador.

Los transformadores del tipo seco sin envolvente de protección, se designarán por dos símbolos solamente.

El orden en el que se deben usar los símbolos es el indicado en la tabla 1:

Primera letra	Segunda letra	Tercera letra	Cuarta letra
Indican el medio de refrigeración que está en contacto con los arrollamientos		Indican el medio de refrigeración que está en contacto con el sistema de refrigeración exterior
Medio de refrigeración interno en contacto con los arrollamientos	Modo de circulación del medio de refrigeración interno	Medio de refrigeración externo	Modo de circulación del fluido externo

Tabla 1: Orden para la designación de símbolos

MEDIO REFRIGERANTE	SÍMBOLOS
Aceite mineral, vegetal o líquido sintético inflamable Líquido sintético no inflamable Gas Agua Aire	O L G W A
CIRCULACIÓN DEL REFRIGERANTE	SÍMBOLOS
Natural Ventilación forzada Circulación dirigida	N F D
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN	DESIGNACIÓN IEC
Transformador seco con refrigeración natural por aire Transformador seco con refrigeración forzada por aire Transformador seco con envolvente metálica y refrigeración natural por aire Transformador seco con envolvente metálica y ventilación forzada por aire Transformador con circulación natural de aceite y aire Transformador con circulación natural de aceite y ventilación forzada por aire Transformador con circulación forzada de aceite y agua Transformador con circulación forzada de aceite y aire Transformador con circulación dirigida de aceite y ventilación forzada	AN AF ANAN ANAF          ONAN ONAF          OFW OFAF ODAF

Tabla 2: Modos de refrigeración de Transformadores

Los elementos constructivos que se dotan a los transformadores para su refrigeración en el que el aire ejerce las funciones de refrigerante externo y el aceite como refrigerante interno, son los siguientes:

• Transformador ONAN, el sistema de refrigeración está formado por el aceite dentro de la cuba y los radiadores con circulación por termosifón y el aire exterior con circulación natural, 
• Transformadores ONAF, a la cuba y los radiadores se le agrega un equipo de ventiladores en el exterior para forzar la circulación del aire, 
• Transformadores OFAF, a los elementos anteriormente mencionados se añaden motobombas para conseguir la circulación forzada del aceite, 
• Transformadores ODAF, además de disponer de los elementos anteriormente mencionados se equipan de una serie de conductos en el interior de la cuba para poder dirigir el flujo del aceite para que éste pueda recorrer los arrollamientos completamente. 
• Transformadores OFW, en el que el refrigerante externo es agua, van dotados de serpentines que recorren el interior de la cubà, disponen además de equipos necesarios para enfriar el agua y motobombas en el caso de que su circulación sea forzada.

● Clasificación de los aislantes.

Los aislantes usuales en la construcción de transformadores se clasifican según la tabla 3:

CLASE	AISLANTE	TRATAMIENTO
A	Sustancias orgánicas, algodón, seda papel y análogas, así como esmaltes para hilos.	Impregnados o sumergidos en aceite
E	Fibras sintéticas resistentes al calor, papel con laca, esmalte para hilos.	No impregnado
B	Cintas y telas de micanita y micafolio	Impregnado
F	Sustancias inorgánicas, mica, asbesto, resinas, productos a base de vidrio y materias minerales parecidas.	Impregnado/Encapsulado (Por ejemplo con siliconas modificadas con sustancias orgánicas sintéticas.)
H	Materiales tales como la silicona, elastómeros y combinaciones de materiales tales como la mica, la fibra de vidrio, asbestos, etc.	Con sustancias aglutinantes como son las resinas y siliconas apropiadas

Tabla 3: Designación de los aislantes

● Calentamiento para transformadores secos.

Los límites de calentamiento son los indicados en la tabla 4:

Parte	Método de refrigeración	Temperatura del sistema de aislamiento ºC	Calentamiento máximo ºK
Arrollamiento (calentamiento medido por el método de variación de resistencia.	Por aire, natural o ventilación forzada.	A (105) E (120) B (130) F (155) H (180)	60 75 80 100 125
Circuitos magnéticos y otras partes. a) En contacto con los arrollamientos. b) No en contacto con los arrollamientos	Todos		a) Los mismos valores para los arrollamientos. b) La temperatura no alcanzará en ningún caso un valor que pueda dañar al propio circuito magnético, otras partes, o los materiales adyacentes.

Tabla 4: Límites de calentamiento para transformadores seco

● Calentamiento para transformadores sumergidos en fluido

Los límites de calentamiento para transformadores sumergidos en fluido refrigerante son los indicados en la tabla 5:

Parte	Calentamiento máximo ºK
Arrollamientos: Clase temperatura del arrollamiento A (calentamiento medido por el método de variación de resistencia)	65, cuando la circulación del aceite es natural o forzada no dirigida. 70, cuando la circulación del aceite es forzada y dirigida.
Aceite en la parte superior (calentamiento medido por termómetro)	60, cuando el transformador está provisto de conservador o es estanco al aire. 55, cuando el transformador no está provisto de conservador ni es estanco al aire.
Circuitos magnéticos, partes metálicas y otros materiales adyacentes.	La temperatura no alcanzará en ningún caso, un  valor que pueda dañar al propio circuito magnético, otras partes o los materiales adyacentes.

Tabla 5: Límites de calentamiento para los transformadores sumergidos en aceite

NOTA: Los límites de calentamiento de los arrollamientos (medido por el método de variación de resistencia) se eligen de forma que den el mismo calentamiento del punto caliente con diferentes tipos de circulación del aceite. El calentamiento del punto caliente no se puede medir normalmente, directamente. En los transformadores con circulación forzada y dirigida del aceite, la diferencia entre el calentamiento del punto caliente y el  calentamiento medio en los arrollamientos es más pequeño que en los  transformadores con circulación natural del aceite, o que en los de circulación forzada pero no dirigida del aceite, por esta razón los arrollamientos de los transformadores con circulación forzada y dirigida del aceite pueden tener límites de calentamiento (medido por el método de variación de resistencia) superiores en 5º C., a los de los otros transformadores.

Cualquier condición de lugar de instalación susceptible de imponer restricciones sobre el aire de refrigeración o de producir temperaturas elevadas del aire ambiente se han de tener en cuenta. Y también se ha de tener en cuenta la altitud donde ha de ir ubicado el transformador, ya que de instalarse en alturas superiores a los mil metros sobre el nivel del mar, el aumento de temperatura expresado en las tablas anteriores deberá reducirse en 1% por cada 100 metros que sobrepasen los mil metros de altitud.

Quedan exceptuados de esta prescripción los transformadores con refrigeración por agua.

TIPOS DE REFRIGERACIÓN

● Refrigeración natural ONAN (designación ASA C57: OA)

Durante el funcionamiento ONAN (OA) se origina un movimiento del fluido refrigerante por termosifón debido a la diferencia de temperatura del fluido entre las partes superior e inferior de la cuba. Esta diferencia de temperatura es aproximadamente 12 ºC, para un transformador ONAN (OA) y mantiene un flujo de aceite en el circuito magnético y superficie de bobinas superior a un metro por minuto.

Figura 1: Corte de un transformador ONAN  mostrando la circulación del aceite por termosifón

Figura 2: ONAN. Refrigeración natural mediante radiadores adosados a la cuba

El aceite frío sube desde el fondo de la cuba circulando sobre las superficies de los conductores recogiendo el calor mientras sube a la parte superior de la cuba y de aquí pasa a los cambiadores de calor (radiadores) donde se enfría. El fluido refrigerado entra por el fondo de la cuba del transformador, iniciando un nuevo ciclo, como podemos ver en la figura 2.

En la figura 1 pueden verse los calentamientos típicos. El calentamiento medio del cobre es de 65 ºC y en este ejemplo, el calentamiento del aceite es de 58 ºC., el del inferior es de 46 ºC siendo la diferencia de 12 ºC. Que es la que establece la circulación del fluido. Por tanto el calentamiento medio del fluido es de 55 ºC.

Todas las temperaturas se estabilizan si la carga es permanente y constante, entonces la diferencia entre los calentamientos medios y superior del fluido será de 6 ºC. Por tanto el calentamiento medio del cobre  es de 65 ºC. Pasando a ser de 71 ºC el calentamiento superior del cobre.

● Refrigeración por radiadores ventilados. ONAF (designación ASA C57: FA)

Con el fin de reducir el número de radiadores en los grandes transformadores, se activa en aquellos el enfriamiento provocando una circulación del aire por medio de ventiladores.

Figura 3: ONAF. Refrigeración aceite natural y ventilación forzada.

● Refrigeración por circulación de aceite y ventilación forzada. OFAF (designación ASA C57: FOA)

A consecuencia de la ventilación forzada la cantidad de calor disipada es mayor, por lo que será necesario aumentar en la misma proporción la cantidad de aceite que ha de pasar por los radiadores. Ya que la circulación por termosifón no basta, será necesario utilizar una bomba de aceite.

Cuando los ciclos de carga son muy duros se utiliza la ventilación forzada, con el fin de aumentar la capacidad térmica del transformador sin añadir material activo, o también si su potencia es elevada.

Figura 4: OFAF - Circulación forzada del aceite y ventilación forzada.

● Refrigeración por circulación de aceite y enfriamiento por agua forzada OFW (designación ASA C57: FOW)

Cuando falta espacio o es difícil asegurar en una instalación interior la circulación del aire necesario, se recurre al enfriamiento del aceite con un intercambiador de agua, calculándose necesario un litro de agua por minuto y por Kilovatio de pérdida.

La circulación del aceite debe ser activada por una bomba.

Figura 5: OFW - Circulación forzada del aceite y agua.

Las unidades de circulación forzada que usan bombas y ventiladores para forzar al fluido y el aire se denominan (OFAF) FAO o forzando el aceite con un intercambiador de agua OFW (FOW).

También se usan bombas y ventiladores en los transformadores ONAN/OFAF/OFAF (OA/FOA/FOA) con potencias del 100%/133%/167%, considerando 100% la potencia con circulación natural.

Figura 6: Corte de un transformador OFAF mostrando la circulación del aire y del aceite

Los calentamientos típicos de un transformador con circulación forzada se indican en la figura 6. Tomando de nuevo el calentamiento medio del cobre de 65 ºC., la temperatura superior del aceite es de 55 ºC y la inferior 53 ºC con una diferencia de 2 ºC,  con lo que hemos casi eliminado la caída térmica gracias a la circulación forzada.

Resumiendo con la ventilación forzada obtenemos: máxima eficacia de refrigeración gracias al flujo directo sobre ambas caras del conductor, puntos calientes más reducidos, aumento de vida del aislamiento.

● Refrigeración AN y AF en transformadores secos

La norma IEC 60726-2 limita el calentamiento medio del transformador en régimen nominal estabilizado mientras que la guía de carga IEC 60076-12 limita la temperatura máxima del punto más caliente de los arrollamientos durante las sobrecargas del transformador.

Según estas normas, las temperaturas admisibles son:

■ Para los bobinados:

-       145 °C en régimen estable para una temperatura ambiente anual de 20 °C (lo que corresponde a una temperatura de 155 °C diaria y no sobrepasando en ningún caso 165 °C). El calentamiento medio de los bobinados está limitado en tal caso a 100 K con el régimen asignado.

-       190 °C máximo en sobrecarga sin sobrepasarlo en ningún caso.

■ Para el circuito magnético, las partes metálicas y otros materiales adyacentes, la norma prescribe: “la temperatura no debe, en ningún caso, alcanzar un valor tal que perjudique al circuito magnético u otros materiales adyacentes”

En el caso de sobrecargas temporales, para evitar calentamientos excesivos en los arrollamientos, es posible instalar en los transformadores secos ventilación forzada lo que permite obtener un aumento temporal de potencia entre el 25% y el 40%, sin modificaciones particulares.

Deberá tenerse en cuenta que las pérdidas en cortocircuito aumentan con el cuadrado de la carga, por lo tanto, cabe esperar un incremento en dichas pérdidas de 2.25 veces  el valor correspondiente a una carga nominal del 100%.

Figura 7: AF - Transformador seco con ventilación forzada

Si se solicita al fabricante este aumento de potencia, se deberá tener en cuenta también su repercusión en la elección de los siguientes puntos:

• Las secciones de cables o canalización prefabricada.
• El calibre de los disyuntores de protección del transformador.
• El dimensionamiento de los huecos de entrada y salida de aire del local.
• La duración de vida de los ventiladores en servicio, que es considerablemente más reducida con relación a la del transformador (3,5 y 20 años respectivamente).

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