Límites de aumento de temperatura de transformadores secos frente a transformadores sumergidos en aceite: Diferencias clave

En los sistemas eléctricos, los transformadores son el equipo principal para la conversión y distribución de energía, y su rendimiento y fiabilidad inciden directamente en la seguridad de la red. Durante su funcionamiento, los transformadores generan calor, lo que convierte el aumento de temperatura en un indicador crítico de rendimiento. Debido a las diferencias en los métodos de refrigeración, los transformadores de tipo seco y los transformadores sumergidos en aceite presentan variaciones significativas en sus límites de aumento de temperatura. Este artículo ofrece un análisis detallado de las normas, los factores que influyen y los principios técnicos subyacentes de estos límites, ayudando a los ingenieros eléctricos, profesionales de compras y profesionales del sector a comprender mejor este parámetro clave.

A nivel mundial, organizaciones de normalización como IEEE, IEC y ANSI han definido claramente los límites de aumento de temperatura para los transformadores. Al comparar estas normas, podemos determinar mejor el transformador más adecuado para diferentes escenarios.

Contenido

1. Definición e importancia de los límites de aumento de temperatura

El aumento de temperatura se refiere a la diferencia entre la temperatura interna de un transformador bajo carga nominal y la temperatura ambiente. Por ejemplo, si la temperatura ambiente es de 30 °C y la temperatura del devanado es de 110 °C, el aumento de temperatura es de 80 K (nota: la unidad es Kelvin, K, no Celsius, °C).

Δθ = Tmedido − Tambiente

Ejemplo: Temperatura ambiente 40°C, temperatura del bobinado 110°C → Aumento de temperatura = 70K.

¿Por qué controlar el aumento de temperatura es fundamental para la supervivencia del sistema?

2. Límites de aumento de temperatura para transformadores de tipo seco

Los transformadores de tipo seco se refrigeran por aire, con sistemas de aislamiento generalmente de resina epoxi o papel Nomex®. Debido a la menor capacidad calorífica específica y conductividad térmica del aire, los transformadores de tipo seco tienen una disipación de calor más débil, lo que resulta en límites de aumento de temperatura más bajos.

Según IEC 60076-11 e IEEE C57.12.01, los límites de aumento de temperatura para transformadores de tipo seco son los siguientes:

● ¿Por qué los límites de los transformadores de tipo seco son más bajos?
Los transformadores secos dependen de la convección del aire para su refrigeración, y su conductividad térmica (0.026 W/m·K) es mucho menor que la del aceite para transformadores (0.12 W/m·K). Para garantizar la longevidad del aislamiento, es necesario controlar estrictamente los límites de aumento de temperatura. Por ejemplo, un transformador seco de clase F (155 °C) permite un aumento de temperatura de 100 K, pero suele funcionar por debajo de 80 K para garantizar su fiabilidad.

● Modelo de cálculo de aumento de temperatura para transformadores de tipo seco
El aumento de temperatura se correlaciona exponencialmente con la carga:

Δθ = ΔθR × (I/IR)^1.6

ΔθR: Aumento de temperatura nominal (por ejemplo, 100 K)

I/IR: Relación de carga

Ejemplo:Un transformador seco de clase F al 120 % de carga:
Aumento de temperatura = 100 × (1.2)^1.6 ≈ 135 K (supera el límite en un 35 %).

● Consejos de mantenimiento

(1)Espaciado:Mantener a ≥300 mm de las paredes (≥150 mm para convección forzada).

(2)Limpieza: La acumulación de polvo reduce la eficiencia de enfriamiento entre un 15 y un 30 %.

(3)Sobrecarga: Limitar a ≤3 sobrecargas diarias, espaciadas >4 horas entre sí (para evitar la acumulación de calor).

3. Límites de aumento de temperatura para transformadores sumergidos en aceite

Los transformadores sumergidos en aceite utilizan aceite mineral o ésteres sintéticos para su refrigeración y aislamiento. La alta capacidad calorífica específica del aceite y la circulación forzada (p. ej., refrigeración ONAN/ONAF/OFAF) permiten una disipación térmica superior, lo que permite límites de aumento de temperatura más elevados.

Según IEC 60076-2 y ANSI C57.12.00, los límites de los transformadores sumergidos en aceite son:

¿Por qué límites más elevados para los transformadores sumergidos en aceite?

(1)Eficiencia de enfriamiento del aceite: La conductividad térmica (0.12 W/m·K) es 5 veces mayor que la del aire.

(2)Estabilidad térmica: El aceite de alta calidad resiste temperaturas superiores a 100 °C a largo plazo sin sufrir averías.

(3)Refrigeración forzada: Las unidades grandes utilizan ventiladores (ONAF) o bombas de aceite (OFAF) para reducir aún más el aumento de temperatura.

4. Factores clave que influyen en el aumento de la temperatura

● Perfil de carga

(1)Carga continua:La temperatura se estabiliza cerca de los límites de diseño.

(2)Carga intermitente:Las sobrecargas breves pueden amortiguarse mediante constantes de tiempo térmicas (τ = 30-120 min), pero deben cumplir con las pautas IEC 60354.

Límites escalonados

Fórmula de elevación dinámica (IEC 60354)

Δθo = ΔθoR + τ × (dP/dt)

τ: Constante de tiempo térmica (unidades pequeñas ≈1.5h, grandes ≈3h).

dP/dt: Tasa de cambio de pérdida.

Postulación:Cálculo del aumento de temperatura en los parques eólicos con cargas fluctuantes.

Consejos de mantenimiento

(1)Nivel de aceite: Tasa de expansión ≈0.0007/°C → aumento de 40 K aumenta el volumen en un 2.8%.

(2)Calidad del aceite:Un valor ácido >0.1 mg KOH/g reduce el enfriamiento eficiencia en un 12-18%.

(3)Sistema de refrigeración:La falla del ventilador aumenta el aumento del modo ONAF en 40%.

● Temperatura ambiente

El IEEE define "ambiente" como una temperatura media anual de 30 °C. En regiones cálidas (p. ej., Oriente Medio), se requieren clases de aislamiento más altas (p. ej., clase H).

● Métodos de enfriamiento

(1)Tipo seco: AN (convección natural) o AF (aire forzado).
(2)Inmersión en aceite: ONAN/ONAF/OFWF. Refrigeración forzada.(3)Reduce la subida pero aumenta el consumo de energía.

5. Cálculo y seguimiento del aumento de temperatura

● Fórmulas de cálculo

Aumento del devanado sumergido en aceite según IEC 60076-7:

Lugar:

Aumento real

Aumento a plena carga

Relación de carga (real/nominal)

Relación de pérdida de cobre/hierro

Exponente empírico (aceite: n≈0.8; seco: n≈1.0)

● Monitoreo en tiempo real

Los transformadores modernos utilizan detección de temperatura distribuida (DTS) por fibra óptica o termografía infrarroja para el seguimiento de puntos calientes.

Soluciones avanzadas para unidades sumergidas en aceite

(1)DTS de fibra óptica:

–±1°Precisión C, 0.01°Resolución C.

–Integrado en devanados de alta tensión para mapeo de temperatura 3D.

–Detección de puntos calientes mediante dispersión Raman:

ΔT = (c × Δϕ) / (4πL × α)

  (α:Coeficiente de fibra).

(2)Análisis de gases disueltos (DGA):

–C₂H₄ >50 ppm indica puntos calientes (>150°C).

En resumen

La diferencia en los límites de aumento de temperatura entre los transformadores de tipo seco y los sumergidos en aceite se origina en la brecha de rendimiento térmico entre el aire y el aceite: la conductividad del aire es solo 1/5 de la del aceite y su calor específico es <1/2, lo que obliga a los de tipo seco a adoptar límites más estrictos (normalmente 80-100 K frente al punto caliente promedio de 65 K/78 K del aceite).

Para aplicaciones en interiores (p. ej., centros de datos, edificios comerciales), los modelos secos destacan por sus diseños sin mantenimiento y a prueba de fugas, pero requieren refrigeración forzada y aislamiento de clase H. En entornos exteriores hostiles (p. ej., centrales eléctricas, plataformas marinas), las unidades sumergidas en aceite aprovechan la masa térmica del aceite y la refrigeración escalable (OFAF/OFWF) para lograr diseños compactos y una mayor tolerancia a la sobrecarga.

Las innovaciones futuras incluyen:

(1)Tipo seco: Epoxi nanodopado (por ejemplo, los rellenos de AlN aumentan la conductividad en un 40%).

(2)Inmersos en aceite: Los fluidos aislantes de base biológica (punto de inflamación >320°C) redefinen los márgenes de seguridad.

Para una selección óptima, los ingenieros deben utilizar modelos gemelos digitales IEC 60076-14 para simular el clima local y los perfiles de carga, cuantificando las pérdidas por envejecimiento térmico de 20 años para equilibrar la seguridad y el costo.

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