Como o resfriamento ONAN remove o calor de um transformador de potência de subestação

Um transformador de potência ONAN para subestação pode dissipar uma quantidade considerável de calor sem bombas de óleo nem ventiladores de arrefecimento. Seu sistema de arrefecimento depende de um ciclo passivo contínuo: o óleo isolante absorve o calor dos enrolamentos e do núcleo, sobe pelos canais internos e libera esse calor através do tanque e dos radiadores para o ar ambiente. À medida que o óleo arrefece, retorna à parte inferior do transformador.

Para os avaliadores técnicos, a questão importante não é simplesmente saber se esse ciclo funciona. É saber se todo o percurso de transferência de calor consegue manter as temperaturas dos enrolamentos e do óleo dentro dos limites especificados, considerando as condições reais de carga, temperatura ambiente e instalação. Compreender esse percurso facilita muito a avaliação das classes de arrefecimento, dos relatórios de elevação de temperatura e dos requisitos do local.

O que significa ONAN — e o que não significa

ONAN significa Oil Natural Air Natural (óleo com circulação natural e ar com circulação natural). O primeiro par de letras descreve o meio de arrefecimento interno e seu método de circulação; o segundo descreve o meio externo de arrefecimento e seu movimento. Em uma configuração ONAN, o óleo circula naturalmente no interior do transformador, enquanto o ar se movimenta naturalmente em torno das superfícies externas de arrefecimento.

“Natural” não significa que a remoção de calor seja descontrolada ou incidental. Os canais internos de óleo, a geometria dos radiadores, a área das superfícies de arrefecimento e as perdas admissíveis do transformador são projetados em conjunto para alcançar um desempenho térmico definido.

ONAN também é uma designação de arrefecimento, não uma especificação completa do transformador. Dois transformadores com a mesma tensão e classificação ONAN podem diferir substancialmente em perdas, elevação de temperatura, impedância, sistema de isolamento, dimensões físicas e adequação a um determinado local.

Quando um transformador possui classificação ONAN/ONAF, o estágio ONAF utiliza ar forçado, geralmente por ventiladores, enquanto a circulação do óleo permanece natural. A classificação superior só se aplica nas condições de operação declaradas e com o equipamento de arrefecimento necessário disponível. Um transformador projetado exclusivamente para operação ONAN não passa automaticamente a ter uma classificação superior aprovada se forem adicionados ventiladores posteriormente.

Acompanhar o calor do enrolamento até a atmosfera

O calor começa com as perdas elétricas

O núcleo gera perdas em vazio sempre que o transformador está energizado. Essas perdas dependem principalmente das condições de excitação, incluindo tensão e frequência. As perdas em carga ocorrem nos enrolamentos e em outros componentes condutores; a parcela resistiva aumenta aproximadamente com o quadrado da corrente, e a resistência também varia à medida que a temperatura aumenta.

Consequentemente, um aumento moderado da corrente pode produzir um aumento muito maior do calor nos enrolamentos. Correntes harmônicas podem elevar ainda mais as perdas por correntes parasitas e as perdas dispersas. Por isso, os avaliadores de aplicações industriais ou de energia renovável devem examinar o perfil de carga e a forma de onda, e não apenas a potência aparente média.

O óleo afasta o calor das superfícies internas

O calor atravessa o isolamento dos enrolamentos e outros materiais sólidos até chegar ao óleo circundante. À medida que o óleo aquece, sua densidade diminui. A força de empuxo resultante impulsiona o fluxo ascendente pelos canais disponíveis em torno dos enrolamentos e do núcleo.

O óleo mais frio e denso se desloca para as regiões inferiores, estabelecendo um circuito de circulação. Esse fenômeno é frequentemente descrito como efeito termosifão. Sua intensidade depende da diferença de temperatura, da altura vertical, das propriedades do óleo e da resistência hidráulica do percurso do fluxo.

A geometria interna é importante porque o ponto mais quente do enrolamento não é necessariamente aquele com melhor acesso ao óleo. As dimensões dos canais, os espaçadores, a construção dos enrolamentos e a distribuição local das perdas influenciam a eficiência com que o calor pode ser removido das regiões críticas.

Os radiadores transferem calor para o ar em movimento natural

O óleo quente chega à região superior do tanque e entra nos radiadores conectados, quando existentes. O calor passa do óleo para a parede do radiador, atravessa o metal e então é transferido para o ar circundante. O óleo arrefecido retorna pelas conexões inferiores. As paredes do tanque também contribuem para a dissipação de calor, e alguns projetos de distribuição utilizam superfícies de arrefecimento corrugadas em vez de conjuntos de radiadores separados.

O ar junto a uma superfície quente se aquece, fica menos denso e sobe. O ar mais frio o substitui por baixo. A radiação térmica também contribui para a perda de calor externa, embora sua participação dependa da temperatura e do acabamento da superfície, bem como do ambiente.

Assim, o percurso completo de arrefecimento é: enrolamentos e núcleo → isolamento e óleo → metal do tanque ou dos radiadores → ar ambiente. Uma restrição em qualquer ponto desse percurso pode elevar as temperaturas de operação.

Por que um radiador grande não conta toda a história

Uma relação simplificada útil éQ ≈ U × A × ΔT, em que Q é o calor dissipado, U é o coeficiente global de transferência de calor, A é a área efetiva de arrefecimento e ΔT é a diferença de temperatura motriz. Essa relação ajuda a explicar o projeto, mas não é suficiente para calcular a classificação de um transformador.

Em geral, aumentar a área de arrefecimento ajuda. No entanto, superfícies muito próximas umas das outras podem prejudicar o fluxo natural de ar, e uma área externa adicional não consegue compensar totalmente uma região do enrolamento mal arrefecida. Da mesma forma, o aumento da temperatura do óleo amplia a diferença de temperatura disponível para dissipar calor, mas consome a margem térmica e pode acelerar o envelhecimento do isolamento.

A circulação natural também depende da viscosidade do óleo. Em baixas temperaturas, a viscosidade mais elevada aumenta a resistência ao fluxo. Os projetistas devem considerar esse comportamento juntamente com as propriedades do líquido isolante em baixas temperaturas e as condições previstas de energização e carga.

A lição para a aquisição é simples: as dimensões dos radiadores são informações úteis para inspeção, mas um ensaio de elevação de temperatura e um projeto térmico confiável constituem evidências mais sólidas da capacidade de arrefecimento.

As temperaturas que importam em um transformador de potência ONAN para subestação

Diferentes valores de temperatura respondem a perguntas diferentes. Tratá-los como equivalentes pode ocultar um problema térmico.

Também é necessário distinguir a elevação de temperatura da temperatura absoluta. A mesma elevação em relação à temperatura ambiente resulta em uma temperatura absoluta do isolamento mais alta em um dia quente do que em um dia frio. Portanto, a capacidade de carga depende tanto das características térmicas do transformador quanto do ambiente.

O óleo e o isolamento sólido têm inércia térmica, por isso as temperaturas não mudam instantaneamente quando a carga varia. Uma carga de curta duração pode ser avaliada de forma diferente de uma carga sustentada, mas o atraso térmico não é uma autorização para sobrecarregar sem uma avaliação de engenharia.

Interpretar normas e relatórios de ensaio sem presumir demais

Para transformadores imersos em líquido especificados segundo as práticas IEC, aIEC 60076-2 trata da elevação de temperatura, enquanto a IEC 60076-7 fornece orientações de carregamento para transformadores de potência imersos em óleo mineral. Segundo as práticas IEEE, IEEE C57.12.00, IEEE C57.12.90 e IEEE C57.91 são comumente relevantes, respectivamente, para requisitos, ensaios e orientações de carregamento. A edição aplicável e os requisitos contratuais devem sempre ser identificados.

Não existe um único valor de elevação de temperatura que deva ser aplicado indiscriminadamente a todos os transformadores ONAN. Os limites e métodos de avaliação dependem da norma especificada, do sistema de isolamento, do meio de arrefecimento e das condições de serviço. As orientações de carregamento aplicáveis ao óleo mineral não devem ser transferidas sem análise para outro líquido isolante.

Ao analisar as evidências térmicas, verifique:

• Base do ensaio: Quais classificação, posição de derivação, perdas e configuração de arrefecimento foram consideradas?
• Configuração de arrefecimento: A configuração de radiadores ensaiada corresponde ao equipamento fornecido?
• Resultados medidos: As elevações da temperatura do óleo na parte superior e da temperatura média dos enrolamentos estão claramente informadas, com as correções necessárias?
• Avaliação do ponto quente: O ponto quente foi calculado, respaldado por validação do projeto ou medido com sensores embutidos?
• Adequação ao local: A temperatura ambiente, a altitude, o invólucro e as hipóteses de carga correspondem ao projeto?

Uma declaração de conformidade é um ponto de partida. Para uma aplicação crítica em subestação, solicite as evidências de ensaio pertinentes e esclareça se elas abrangem a unidade fornecida ou um projeto representativo aceito.

As condições de instalação podem comprometer até um projeto adequado

Um transformador ONAN precisa ter acesso a ar mais frio e um caminho desobstruído para a saída do ar aquecido. Paredes próximas, barreiras acústicas, equipamentos muito próximos ou invólucros de proteção podem restringir a circulação ou fazer com que o ar aquecido retorne à região de entrada dos radiadores.

As instalações internas exigem atenção especial. Embora o transformador não tenha ventiladores de arrefecimento, a sala ainda pode precisar de ventilação projetada para remover o calor gerado. O arrefecimento natural do transformador não significa que seja aceitável instalá-lo em uma sala selada.

A altitude é outro fator a considerar: a menor densidade do ar pode reduzir o desempenho do arrefecimento externo. Temperaturas ambientes superiores às especificadas, exposição solar e fontes de calor próximas também podem reduzir a margem térmica. Qualquer ajuste de classificação ou modificação de arrefecimento necessário deve ser acordado com o fabricante, e não deduzido de uma regra genérica.

Durante a instalação e o comissionamento, confirme a posição das válvulas dos radiadores, quando existentes, o nível de óleo, a estanqueidade e a conclusão dos procedimentos exigidos de enchimento e purga. O ar retido nos componentes de arrefecimento ou um radiador isolado inadvertidamente pode comprometer o percurso de circulação previsto.

Verificações operacionais: o arrefecimento passivo também exige atenção

A eliminação de bombas e ventiladores elimina esses componentes auxiliares, mas não elimina a necessidade de manutenção. As superfícies de arrefecimento podem acumular sujeira, o nível de óleo pode variar e os instrumentos de temperatura podem apresentar desvios. O óleo isolante e o isolamento de celulose também envelhecem.

O monitoramento mais útil compara, ao longo do tempo, a temperatura com a carga e as condições ambientais. Um aumento da temperatura do óleo na parte superior sob condições semelhantes de carga e temperatura ambiente merece investigação, especialmente após uma manutenção ou uma alteração na instalação ao redor.

Dependendo da criticidade do equipamento, as verificações podem incluir inspeção das superfícies de arrefecimento, verificação dos instrumentos, ensaios do óleo, análise de gases dissolvidos e revisão das indicações de temperatura dos enrolamentos. A inspeção por infravermelho pode ajudar a identificar padrões incomuns de temperatura externa, mas não permite determinar diretamente o ponto quente interno dos enrolamentos.

Os ajustes das proteções e os limites operacionais devem seguir o projeto térmico e a filosofia de proteção acordados. Elevar o limite de alarme para acomodar um superaquecimento persistente não restaura a capacidade de arrefecimento.

Quando considerar uma alternativa a seco na avaliação

Alguns projetos de distribuição exigem uma comparação entre equipamentos ONAN imersos em líquido e transformadores a seco, especialmente quando o local de instalação, as precauções contra incêndio ou a contenção de líquidos influenciam a decisão. São sistemas térmicos diferentes: um transformador a seco de resina moldada não possui circuito de circulação de óleo e normalmente utiliza a terminologia de arrefecimento AN ou AF, não ONAN.

Para esses projetos, a Jinshida Electric Power Technology Co., Ltd. oferece o Transformador de Distribuição Trifásico a Seco de Resina Moldada de 20 kV, uma opção de distribuição distinta, com configurações de baixa tensão especificadas de 0.4 kV ou 0.415 kV e proteção e controle de temperatura. Sua relevância está em ser uma tecnologia alternativa, não um exemplo de arrefecimento ONAN.

Compare as configurações oferecidas com base em perdas verificadas, limites de temperatura, requisitos de ventilação, efeitos do invólucro e normas específicas do projeto. Qualquer capacidade de sobrecarga declarada para arrefecimento forçado deve ser avaliada conforme a duração e as condições térmicas especificadas; ela não deve ser interpretada como uma classificação irrestrita para operação contínua com ar natural.

Tome a classificação de arrefecimento como uma decisão específica para o local

Um transformador ONAN bem selecionado equilibra as perdas elétricas, a circulação interna do óleo, a área externa de transferência de calor e o ambiente ao seu redor. Sua vantagem é clara: dissipar calor sem bombas nem ventiladores e com menos componentes auxiliares para manter. Sua limitação é igualmente evidente: o arrefecimento passivo depende de diferenças de temperatura e de percursos de fluxo desobstruídos.

Antes de aceitar um transformador de potência ONAN para subestação, confirme três pontos: a base do ensaio térmico corresponde ao equipamento, a avaliação de carga reflete o regime real de operação e a instalação permite que o sistema de arrefecimento funcione conforme projetado. Essas verificações transformam uma designação de arrefecimento em uma folha de dados em evidência de serviço confiável em subestações.