Cómo la refrigeración ONAN elimina el calor de un transformador de potencia de subestación

Un transformador de potencia ONAN para subestación puede disipar una cantidad considerable de calor sin bombas de aceite ni ventiladores de refrigeración. Su sistema de refrigeración se basa en un ciclo pasivo continuo: el aceite aislante absorbe el calor de los devanados y el núcleo, asciende por los conductos internos y libera ese calor a través del tanque y los radiadores al aire circundante. A medida que se enfría, el aceite regresa hacia la parte inferior del transformador.

Para los evaluadores técnicos, la cuestión importante no es simplemente si este ciclo funciona, sino si la trayectoria completa de transferencia de calor puede mantener las temperaturas de los devanados y del aceite dentro de los límites especificados en las condiciones reales de carga, temperatura ambiente e instalación. Comprender esa trayectoria facilita mucho la evaluación de las clases de refrigeración, los informes de aumento de temperatura y los requisitos del emplazamiento.

Qué significa ONAN y qué no significa

ONAN significa Oil Natural Air Natural (aceite natural, aire natural). El primer par de letras describe el medio de refrigeración interno y su método de circulación; el segundo describe el medio de refrigeración externo y su movimiento. En una configuración ONAN, el aceite circula de forma natural dentro del transformador, mientras que el aire se desplaza de forma natural alrededor de las superficies externas de refrigeración.

«Natural» no significa que la disipación de calor sea descontrolada o accidental. Los conductos internos de aceite, la geometría de los radiadores, la superficie de refrigeración y las pérdidas admisibles del transformador se diseñan conjuntamente para lograr un rendimiento térmico definido.

ONAN es una designación de refrigeración, no una especificación completa del transformador. Dos transformadores con el mismo voltaje y clasificación ONAN pueden diferir considerablemente en pérdidas, aumento de temperatura, impedancia, sistema de aislamiento, dimensiones físicas e idoneidad para un emplazamiento determinado.

Cuando un transformador tiene una clasificación ONAN/ONAF, la etapa ONAF utiliza aire forzado, normalmente mediante ventiladores, mientras que la circulación del aceite sigue siendo natural. La clasificación superior solo es aplicable en las condiciones de funcionamiento declaradas y con el equipo de refrigeración requerido disponible. Un transformador diseñado únicamente para funcionamiento ONAN no obtiene automáticamente una clasificación superior aprobada si se le añaden ventiladores posteriormente.

El recorrido del calor desde el devanado hasta la atmósfera

El calor se origina en las pérdidas eléctricas

El núcleo genera pérdidas en vacío siempre que el transformador está energizado. Estas pérdidas dependen principalmente de las condiciones de excitación, incluidos el voltaje y la frecuencia. Las pérdidas en carga se producen en los devanados y otros componentes conductores; el componente resistivo aumenta aproximadamente con el cuadrado de la corriente, y la resistencia también cambia a medida que sube la temperatura.

Por consiguiente, un aumento moderado de la corriente puede generar un incremento mucho mayor del calor en los devanados. Las corrientes armónicas pueden aumentar aún más las pérdidas por corrientes parásitas y las pérdidas adicionales. Por ello, quienes evalúen aplicaciones industriales o de energía renovable deben examinar el perfil de carga y la forma de onda, no solo la potencia aparente media.

El aceite evacua el calor de las superficies internas

El calor atraviesa el aislamiento de los devanados y otros materiales sólidos hasta llegar al aceite circundante. Al calentarse el aceite, su densidad disminuye. La flotabilidad resultante impulsa el flujo ascendente por los conductos disponibles alrededor de los devanados y el núcleo.

El aceite más frío y denso se desplaza hacia las zonas inferiores, formando un circuito de circulación. Este fenómeno suele describirse como efecto termosifón. Su intensidad depende de la diferencia de temperatura, la altura vertical, las propiedades del aceite y la resistencia hidráulica del recorrido del flujo.

La geometría interna es importante porque el punto más caliente del devanado no necesariamente coincide con la zona que ofrece mejor acceso al aceite. Las dimensiones de los conductos, los separadores, la construcción de los devanados y la distribución local de las pérdidas influyen en la eficacia con la que el calor puede evacuarse de las zonas críticas.

Los radiadores transfieren calor al aire en movimiento natural

El aceite caliente llega a la parte superior del tanque y, cuando corresponde, entra en los radiadores conectados. El calor pasa del aceite a la pared del radiador, atraviesa el metal y se transfiere al aire circundante. El aceite enfriado regresa por las conexiones inferiores. Las paredes del tanque también contribuyen a disipar el calor, y algunos diseños para distribución utilizan superficies de refrigeración corrugadas en lugar de bancos de radiadores separados.

El aire junto a una superficie caliente se calienta, se vuelve menos denso y asciende. El aire más frío lo reemplaza desde abajo. La radiación térmica también contribuye a la pérdida de calor hacia el exterior, aunque su proporción depende de la temperatura y el acabado de la superficie, así como del entorno.

Por lo tanto, el recorrido completo de refrigeración es: devanados y núcleo → aislamiento y aceite → metal del tanque o de los radiadores → aire ambiente. Cualquier restricción en ese recorrido puede elevar las temperaturas de funcionamiento.

Por qué un radiador grande no lo dice todo

Una relación simplificada útil es Q ≈ U × A × ΔT, donde Q es el calor disipado, U es el coeficiente global de transferencia de calor, A es la superficie efectiva de refrigeración y ΔT es la diferencia de temperatura impulsora. Esta relación ayuda a explicar el diseño, pero no basta para calcular la clasificación de un transformador.

En general, aumentar la superficie de refrigeración es beneficioso. Sin embargo, las superficies muy juntas pueden dificultar el flujo natural del aire, y una mayor superficie externa no puede compensar por completo una refrigeración deficiente en una zona de los devanados. Del mismo modo, elevar la temperatura del aceite aumenta la diferencia de temperatura disponible para disipar el calor, pero consume margen térmico y puede acelerar el envejecimiento del aislamiento.

La circulación natural también depende de la viscosidad del aceite. A bajas temperaturas, una mayor viscosidad incrementa la resistencia al flujo. Los diseñadores deben tener en cuenta este comportamiento junto con las propiedades del líquido aislante a baja temperatura y las condiciones previstas de energización y carga.

La conclusión para la adquisición es sencilla: las dimensiones de los radiadores son un dato útil para la inspección, pero una prueba de aumento de temperatura y un diseño térmico sólido constituyen pruebas más sólidas de la capacidad de refrigeración.

Las temperaturas importantes en un transformador de potencia ONAN para subestación

Los distintos valores de temperatura responden a preguntas diferentes. Tratarlos como si fueran intercambiables puede ocultar un problema térmico.

También es necesario distinguir entre el aumento de temperatura y la temperatura absoluta. Con el mismo aumento sobre la temperatura ambiente, la temperatura absoluta del aislamiento será mayor en un día caluroso que en uno fresco. Por lo tanto, la capacidad de carga depende tanto de las características térmicas del transformador como de su entorno.

El aceite y el aislamiento sólido tienen inercia térmica, por lo que sus temperaturas no cambian instantáneamente cuando varía la carga. La carga de corta duración puede evaluarse de forma distinta a la carga sostenida, pero el retraso térmico no es una autorización para sobrecargar el transformador sin una evaluación de ingeniería.

Cómo interpretar las normas y los informes de ensayo sin dar nada por sentado

Para los transformadores sumergidos en líquido especificados conforme a las prácticas IEC, IEC 60076-2 trata el aumento de temperatura, mientras que IEC 60076-7 proporciona directrices de carga para transformadores de potencia sumergidos en aceite mineral. Conforme a las prácticas IEEE, IEEE C57.12.00, IEEE C57.12.90 y IEEE C57.91 suelen ser pertinentes para los requisitos, los ensayos y las directrices de carga, respectivamente. Siempre se deben identificar la edición aplicable y los requisitos contractuales.

No existe un único valor de aumento de temperatura que deba aplicarse indiscriminadamente a todos los transformadores ONAN. Los límites y los métodos de evaluación dependen de la norma especificada, el sistema de aislamiento, el medio de refrigeración y las condiciones de servicio. Las directrices de carga para aceite mineral no deben aplicarse sin más a otro líquido aislante.

Al revisar las pruebas térmicas, compruebe lo siguiente:

• Base del ensayo: ¿Qué clasificación, posición del cambiador de tomas, pérdidas y configuración de refrigeración se utilizaron?
• Configuración de refrigeración: ¿La configuración de radiadores ensayada coincidía con la del equipo suministrado?
• Resultados medidos: ¿Se indican claramente los aumentos de temperatura del aceite superior y del promedio de los devanados, con las correcciones requeridas?
• Evaluación del punto caliente: ¿Se calculó el punto caliente, se respaldó mediante validación del diseño o se midió con sensores integrados?
• Aplicabilidad al emplazamiento: ¿La temperatura ambiente, la altitud, el cerramiento y las hipótesis de carga coinciden con las del proyecto?

Una declaración de conformidad es un punto de partida. Para una aplicación de subestación de importancia crítica, solicite las pruebas pertinentes y aclare si corresponden a la unidad suministrada o a un diseño representativo aceptado.

Las condiciones de instalación pueden perjudicar incluso un diseño sólido

Un transformador ONAN necesita acceso a aire más frío y una vía despejada para que escape el aire calentado. Los muros cercanos, las barreras acústicas, los equipos muy próximos o los cerramientos de protección pueden restringir la circulación o hacer que el aire caliente vuelva a la zona de entrada de los radiadores.

Las instalaciones interiores requieren especial atención. Aunque el transformador no tenga ventiladores de refrigeración, la sala puede necesitar ventilación diseñada para evacuar el calor que genera. La refrigeración natural del transformador no significa que sea aceptable instalarlo en una sala sellada.

La altitud es otro factor: una menor densidad del aire puede reducir la capacidad de refrigeración externa. Las temperaturas ambiente superiores a las especificadas, la exposición solar y las fuentes de calor cercanas también pueden reducir el margen térmico. Cualquier ajuste de clasificación o modificación de la refrigeración que sea necesaria debe acordarse con el fabricante, en lugar de inferirse a partir de una regla genérica.

Durante la instalación y la puesta en servicio, confirme la posición de las válvulas de los radiadores, si las hay, el nivel de aceite, la estanqueidad y la ejecución de los procedimientos de llenado y purga requeridos. El aire atrapado en los componentes de refrigeración o un radiador aislado involuntariamente pueden perjudicar el recorrido de circulación previsto.

Comprobaciones operativas: la refrigeración pasiva también requiere atención

La eliminación de bombas y ventiladores suprime esos componentes auxiliares, pero no elimina la necesidad de mantenimiento. Las superficies de refrigeración pueden acumular suciedad, el nivel de aceite puede variar y los instrumentos de temperatura pueden desviarse. Además, el aceite aislante y el aislamiento de celulosa también envejecen.

La supervisión más útil consiste en comparar la temperatura con la carga y las condiciones ambientales a lo largo del tiempo. Un aumento de la temperatura del aceite superior con una carga y unas condiciones ambientales similares merece investigación, especialmente después de un mantenimiento o de un cambio en la instalación circundante.

Según la criticidad del equipo, las comprobaciones pueden incluir la inspección de las superficies de refrigeración, la verificación de los instrumentos, el análisis del aceite, el análisis de gases disueltos y la revisión de las indicaciones de temperatura de los devanados. La inspección infrarroja puede ayudar a detectar patrones de temperatura externa inusuales, pero no permite determinar directamente el punto caliente interno de los devanados.

Los ajustes de protección y los límites operativos deben ajustarse al diseño térmico acordado y a la filosofía de protección. Elevar el umbral de alarma para adaptarlo a un sobrecalentamiento persistente no restablece la capacidad de refrigeración.

Cuándo considerar una alternativa de tipo seco

Algunos proyectos de distribución requieren comparar equipos ONAN sumergidos en líquido con transformadores de tipo seco, especialmente cuando la ubicación de instalación, las medidas de protección contra incendios o la contención de líquidos influyen en la decisión. Se trata de sistemas térmicos distintos: un transformador seco de resina moldeada no tiene un circuito de circulación de aceite y normalmente emplea las designaciones de refrigeración AN o AF, no ONAN.

Para estos proyectos, Jinshida Electric Power Technology Co., Ltd. ofrece el transformador de distribución trifásico de tipo seco con resina moldeada de 20 kV, una opción de distribución distinta con configuraciones de baja tensión especificadas de 0.4 kV o 0.415 kV, además de protección y control de temperatura. Su pertinencia radica en que es una tecnología alternativa, no un ejemplo de refrigeración ONAN.

Compare las configuraciones ofrecidas mediante pérdidas verificadas, límites de temperatura, requisitos de ventilación, efectos del cerramiento y normas específicas del proyecto. Toda capacidad de sobrecarga declarada con refrigeración por aire forzado debe evaluarse según la duración y las condiciones térmicas especificadas; no debe interpretarse como una clasificación continua e ilimitada con refrigeración natural por aire.

Tome la clasificación de refrigeración como una decisión específica para cada emplazamiento

Un transformador ONAN bien seleccionado equilibra las pérdidas eléctricas, la circulación interna del aceite, la superficie externa de transferencia de calor y el entorno que lo rodea. Su ventaja es clara: disipa el calor sin bombas ni ventiladores y requiere menos componentes auxiliares. Su limitación también es clara: la refrigeración pasiva depende de las diferencias de temperatura y de que los recorridos del flujo estén despejados.

Antes de aceptar un transformador de potencia ONAN para subestación, confirme tres aspectos: que la base del ensayo térmico corresponda al equipo, que la evaluación de carga refleje el régimen de servicio real y que la instalación permita que el sistema de refrigeración funcione según lo previsto. Estas comprobaciones convierten una designación de refrigeración en una ficha técnica en pruebas de fiabilidad para el servicio de subestación.