Transformadores de subestación refrigerados por aceite: métodos de refrigeración y vida útil

Un transformador de subestación refrigerado por aceite se mantiene dentro de sus límites térmicos solo cuando el calor puede transferirse continuamente desde los devanados y el núcleo hacia el aceite aislante, a través del tanque o los radiadores y, finalmente, al aire o al agua circundantes. Una temperatura normal del aceite no demuestra por sí sola que el sistema de aislamiento esté en buen estado. La cuestión relevante es si el aumento de temperatura, el patrón de carga, las condiciones ambientales, la circulación del aceite y el comportamiento de los equipos de refrigeración se mantienen en consonancia con el diseño del transformador.

El estrés térmico está estrechamente relacionado con el envejecimiento del aislamiento. El aislamiento de papel y cartón prensado pierde resistencia mecánica a medida que continúa la exposición a temperaturas elevadas. El aceite también cambia bajo la acción del calor, el oxígeno, la humedad y el estrés eléctrico. Cuando el rendimiento de refrigeración disminuye gradualmente, el transformador puede seguir soportando carga sin una alarma inmediata, mientras que las partes más calientes del devanado experimentan una temperatura mucho mayor que la temperatura de aceite superior indicada. Por ello, la evaluación de la refrigeración debe combinar lecturas, inspección física, registros de carga y tendencias de análisis de aceite.

Cómo el circuito de refrigeración elimina el calor

Las pérdidas en el núcleo y los devanados se convierten en calor. El aceite adyacente a las partes activas se calienta, se vuelve menos denso y asciende hacia la parte superior del tanque. El aceite más frío desciende para reemplazarlo, creando una circulación natural. Después, el calor se transfiere a través de la pared del tanque o de los paneles del radiador hacia el aire ambiente. Esta sencilla trayectoria de circulación es fiable cuando se mantiene limpia, sellada y adecuadamente adaptada a la carga.

Las designaciones de refrigeración describen el medio y el método de circulación. Las dos primeras letras se refieren al fluido aislante interno y a su movimiento; el segundo par se refiere al medio de refrigeración externo y a su movimiento. Las configuraciones más comunes se resumen a continuación.

Las unidades ONAN a veces se consideran libres de mantenimiento porque no tienen bombas ni ventiladores. Esta suposición pasa por alto la importancia de la convección natural. Un radiador que ha sido aislado mediante una válvula cerrada, acumulado de residuos, cubierto por una capa superficial gruesa o instalado con espacio insuficiente para la circulación libre de aire disipará menos calor. El aceite sigue circulando dentro del tanque, pero el circuito completo de refrigeración se ha debilitado.

La refrigeración forzada introduce un patrón de fallo diferente. Los ventiladores pueden funcionar mientras desplazan poco aire útil porque las persianas están bloqueadas, las aspas giran en la dirección incorrecta después de trabajos de cableado o la cara del radiador está obstruida. Del mismo modo, el motor de una bomba puede estar energizado mientras el flujo real de aceite es insuficiente debido a una válvula cerrada, entrada de aire, desgaste interno o un colador bloqueado. El funcionamiento de un dispositivo auxiliar no demuestra la capacidad de refrigeración.

Las lecturas de temperatura necesitan contexto

La temperatura del aceite superior es útil para detectar la carga térmica general, pero no es la temperatura del punto caliente del devanado. La diferencia entre ambas varía según la corriente de carga, la circulación del aceite, la etapa de refrigeración, la geometría del devanado y las condiciones ambientales. Un transformador que opera con una temperatura moderada de aceite superior tras una reducción reciente de carga puede haber experimentado una temperatura excesiva en el devanado antes de que el aceite tuviera tiempo de enfriarse.

Siempre que sea posible, compare las temperaturas con el mismo estado operativo: carga similar, etapa de refrigeración similar y temperatura ambiente comparable. Un único valor registrado en una tarde calurosa tiene un valor diagnóstico limitado. Una tendencia ascendente de temperatura con la misma carga es más informativa, especialmente cuando no aparece un aumento equivalente en la temperatura ambiente.

La termografía es valiosa cuando se utiliza como herramienta comparativa en lugar de como una prueba de aceptación independiente. Una temperatura desigual en el radiador puede indicar una mala distribución del aceite, válvulas cerradas, suciedad o ventiladores inactivos. Una conexión caliente puede indicar una resistencia de contacto elevada en lugar de una refrigeración de aceite insuficiente. Una zona caliente del tanque puede reflejar una trayectoria interna de flujo magnético, corriente circulante o pérdida localizada. La imagen identifica un patrón anormal; la condición de carga, la comparación entre fases y las comprobaciones eléctricas posteriores determinan su causa.

La condición del aceite y el rendimiento de refrigeración están relacionados

El aceite para transformadores tiene dos funciones simultáneas: transfiere calor y proporciona aislamiento dieléctrico. La humedad, los productos de oxidación, los lodos y las partículas pueden reducir ambas funciones. El efecto rara vez se limita a un solo parámetro. La oxidación tiende a aumentar la acidez y a generar compuestos polares; estos compuestos pueden formar depósitos en el papel, las superficies del tanque y los conductos del radiador. Una capa de depósito actúa como resistencia térmica, haciendo que la transferencia de calor sea menos efectiva incluso cuando el nivel de aceite parece normal.

El agua merece especial atención porque su ubicación es importante. La humedad disuelta en el aceite, la humedad retenida en el aislamiento de celulosa y el agua libre no son condiciones equivalentes. A medida que cambia la temperatura, la humedad se desplaza entre el papel y el aceite. Por ello, una muestra de aceite recogida después de un cambio de carga puede mostrar una condición de humedad diferente a la de una tomada durante un período de operación estable. Interpretar los resultados de humedad sin el contexto de carga y temperatura puede provocar trabajos de secado innecesarios o riesgos de aislamiento no detectados.

El nivel de aceite también es fácil de interpretar incorrectamente. El nivel cambia de forma natural con la temperatura del aceite, por lo que el indicador de nivel debe leerse teniendo en cuenta la temperatura indicada y las marcas del indicador. Un nivel persistentemente bajo, una desviación repentina respecto al comportamiento estacional anterior o evidencia de aceite alrededor de los sellos requiere investigación. El aire que entra a través de una junta defectuosa o de la trayectoria del respiradero acelera la oxidación e introduce humedad. Añadir aceite repetidamente sin identificar la fuga o el problema de respiración solo retrasa el deterioro subyacente.

La disciplina de muestreo evita resultados engañosos

Antes de tomar una muestra de aceite, verifique el punto de muestreo, la limpieza del recipiente, el estado de la válvula y el estado operativo del transformador. La muestra debe representar el aceite a granel y no los residuos de una extensión de válvula estancada. Registre la fecha, la carga, la temperatura del aceite superior, la temperatura ambiente, el estado del equipo de refrigeración, el nivel de aceite y cualquier olor, sonido o fuga visible inusual. Estos detalles permiten comparar los futuros resultados de laboratorio.

El análisis de gases disueltos se utiliza a menudo para investigar actividad eléctrica o térmica interna, pero los resultados de gases no deben interpretarse únicamente según si un valor supera un umbral genérico. La tasa de cambio, las relaciones entre gases, el historial del transformador, los eventos de falla recientes, el tratamiento del aceite y la consistencia del muestreo afectan la conclusión. Un cambio repentino después de una sobrecarga conocida o un evento de maniobra requiere una respuesta diferente de un patrón lento y estable durante un intervalo prolongado. La interpretación de laboratorio debe integrarse con los registros de temperatura y los hallazgos de inspección.

Fallos de refrigeración que se parecen entre sí

Una temperatura elevada de aceite superior durante la carga máxima puede deberse a varias condiciones distintas. Una temperatura ambiente alta eleva el punto de partida para la disipación de calor. Una corriente excesiva genera pérdidas adicionales en los devanados. Un fallo del control de ventiladores reduce el rendimiento ONAF. Los radiadores sucios restringen la transferencia de calor del lado del aire. Una baja circulación de aceite puede crear un gradiente térmico interno más grave. Estas condiciones pueden producir una alarma similar, pero sus acciones correctivas difieren.

• La temperatura aumenta con la carga, mientras los radiadores permanecen uniformemente calientes: el transformador puede estar aproximándose a su capacidad de refrigeración disponible, especialmente en condiciones de alta temperatura ambiente. Confirme la carga real, la posición de toma, la etapa de refrigeración y la potencia nominal de diseño antes de atribuir el aumento a un defecto.
• Un banco de radiadores está notablemente más frío que los bancos adyacentes: inspeccione las válvulas de aislamiento, la trayectoria de flujo y las obstrucciones físicas. Un radiador frío no siempre es eficiente; puede estar recibiendo poco aceite caliente.
• Los ventiladores funcionan, pero la temperatura del aceite superior continúa aumentando: evalúe la dirección del flujo de aire, el estado de las aspas, la lógica de ciclo de los ventiladores, la limpieza de los radiadores y si se han puesto en marcha todos los grupos de ventiladores previstos.
• La temperatura del aceite aumenta sin un incremento de carga correspondiente: examine las condiciones ambientales, el comportamiento de las pérdidas del núcleo, los controles de refrigeración, el nivel de aceite y la posibilidad de calentamiento interno anormal. Los datos de tendencia adquieren especial importancia en este caso.
• Temperatura alta repetida después del mantenimiento: revise la restauración de válvulas, el cableado de ventiladores y bombas, los ajustes del termostato, los contactos de alarma y si se dejaron cubiertas temporales o materiales de trabajo cerca de las entradas de aire.

El sonido puede aportar evidencia útil. Un ventilador averiado puede ser evidente, pero los cambios en el ruido de la bomba, la vibración irregular o el funcionamiento intermitente de relés deben registrarse en lugar de descartarse. Al mismo tiempo, un aumento del zumbido del transformador no es automáticamente un problema de refrigeración. La excitación del núcleo, las piezas estructurales flojas o las condiciones de tensión pueden cambiar las características sonoras sin causar un fallo de circulación de aceite.

Las decisiones sobre vida útil deben centrarse en el historial térmico

La vida útil se rige principalmente por el estado del aislamiento sólido, porque el aceite a menudo puede filtrarse, secarse, regenerarse o reemplazarse, mientras que el papel envejecido no puede recuperar su resistencia original. El objetivo práctico es evitar períodos prolongados de temperatura excesiva en el punto caliente, prevenir la acumulación de humedad y detectar defectos en desarrollo antes de que dañen el sistema de celulosa.

Los picos de carga cortos y controlados son diferentes de una temperatura elevada persistente. Su efecto depende de la temperatura inicial del aceite, la etapa de refrigeración, la duración, las condiciones ambientales, la carga previa y la capacidad térmica del transformador. Tratar toda potencia nominal de placa como un límite operativo fijo sin considerar estas condiciones puede ser excesivamente restrictivo, mientras que tratar una tolerancia a corto plazo como permiso para sobrecargas repetidas puede acelerar el envejecimiento. Los registros deben distinguir la carga rutinaria de los eventos excepcionales.

A veces se consideran mejoras de refrigeración cuando se prevé un crecimiento de carga. Añadir o restaurar refrigeración por aire forzado puede ser efectivo solo si el transformador fue diseñado para esa etapa y si los controles, el cableado, la capacidad del radiador y los ajustes de protección correspondientes se implementan correctamente. Instalar ventiladores adicionales junto a un radiador no crea automáticamente una potencia nominal superior válida. La trayectoria del aceite, el diseño térmico, los límites de corriente y la documentación del fabricante siguen determinando el servicio permitido.

Para aplicaciones de distribución que utilizan refrigeración ONAN, una unidad sumergida en aceite como elTransformador de aleación amorfa SBH15 debe evaluarse como un sistema térmico completo: el núcleo de aleación amorfa afecta las pérdidas en vacío, mientras que los devanados de cobre, la exposición del radiador, la condición del aceite y el perfil de carga real determinan la respuesta de temperatura en operación. Una menor pérdida en el núcleo puede reducir el calor de fondo durante la operación con carga ligera, pero no elimina la necesidad de investigar un flujo de aire deficiente, la humedad o pérdidas anormales en los devanados.

Acciones de mantenimiento con mayor valor diagnóstico

El trabajo rutinario debe preservar una línea base fiable. Registre las indicaciones de temperatura del aceite superior y de los devanados, la carga, la temperatura ambiente, el nivel de aceite, el estado del enfriador y los eventos de alarma en intervalos operativos consistentes. Revise los cambios en lugar de valores aislados. Un cambio pequeño pero persistente suele identificar un problema de refrigeración en desarrollo antes que una única alarma de alta temperatura.

Inspeccione los bancos de radiadores, ventiladores, bombas, tuberías, posiciones de válvulas, prensaestopas, armarios de control y sellos visibles. Busque manchas de aceite, corrosión que afecte las superficies de transferencia de calor, protecciones de ventiladores flojas, trayectorias de ventilación bloqueadas, vibración anormal y persianas dañadas. Confirme que las señales de arranque automático de ventiladores y bombas funcionen en las etapas de temperatura previstas, manteniendo al mismo tiempo los procedimientos de aislamiento de seguridad requeridos.

Los análisis de aceite deben seguir un programa basado en la condición, adecuado para la criticidad y el historial operativo del transformador. Los resultados útiles pueden incluir humedad, rigidez dieléctrica, acidez, tensión interfacial, gases disueltos y condición de partículas o inhibidor, cuando corresponda. Ninguna prueba individual sustituye a las demás. Por ejemplo, una rigidez dieléctrica satisfactoria no descarta depósitos de oxidación, y un aspecto aceptable del aceite no confirma una baja humedad en el aislamiento de papel.

Después del procesamiento del aceite, trabajos en radiadores, sustitución de juntas o transporte, permita que la condición del transformador se estabilice y verifique toda la trayectoria de refrigeración antes de devolverlo a un servicio exigente. Las bolsas de aire, la alineación incorrecta de válvulas, el nivel de aceite inadecuado, los accesorios contaminados y los controles automáticos de refrigeración no probados son fuentes comunes de retrabajo evitable. Una tendencia de temperatura estable bajo carga representativa es una evidencia más sólida de una restauración satisfactoria que una breve observación sin carga.

La refrigeración fiable por aceite se mide, en última instancia, por la consistencia: comportamiento estable de la temperatura según la carga y las condiciones ambientales, superficies limpias de transferencia de calor, contención de aceite intacta, equipos auxiliares funcionales y resultados de ensayo que no muestren condiciones de aislamiento deterioradas. Cuando estas señales divergen, tratar el problema como un problema de sistema en lugar de sustituir un único componente visible conduce a una decisión de servicio más fundamentada.