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El aumento de temperatura en los transformadores de potencia determina los límites de carga operativa, la vida útil prevista y la fiabilidad de los activos a largo plazo. Los códigos de refrigeración de cuatro letras -ONAN, ONAF, OFAF, ODWF- codifican cómo se desplaza el calor de los devanados al aire ambiente, proporcionando a los ingenieros de compras criterios de selección críticos para ajustar la capacidad térmica a las condiciones reales del emplazamiento.
La física se centra en dos mecanismos de pérdida: las pérdidas en vacío en el núcleo magnético y las pérdidas en carga en los devanados. Estas pérdidas se convierten en calor que debe transferirse a través de una vía térmica: de los conductores de cobre al papel aislante, al aceite del transformador y, finalmente, al aire ambiente o al agua. El gradiente de temperatura a través de esta vía determina la temperatura del punto caliente, el parámetro más crítico para el envejecimiento del aislamiento de celulosa.
La selección del código de refrigeración influye directamente en los valores nominales de MVA alcanzables bajo límites térmicos idénticos. Un transformador con clasificación ONAN podría alcanzar sólo 60-75% de su clasificación ONAF debido a la reducida disipación de calor sin asistencia de aire forzado. Comprender esta relación evita dos costosos errores de adquisición: especificar unidades que funcionan a altas temperaturas y envejecen prematuramente, o especificar unidades con una capacidad de refrigeración excesiva que nunca se utiliza.
Cada transformador sumergido en aceite lleva una designación de refrigeración de cuatro letras en su placa de características. Estas letras siguen la nomenclatura IEC 60076-2 y codifican la ruta completa de transferencia de calor en un formato compacto que determina la capacidad máxima de carga continua, los requisitos de los equipos auxiliares y las características de fiabilidad a largo plazo.
| Posición | Describe | Opciones de carta | Significado |
|---|---|---|---|
| 1º | Tipo de refrigerante interno | O | Aceite mineral (punto de inflamación ≤300°C) |
| K | Ester fluido (natural o sintético) | ||
| 2ª | Circulación interna del refrigerante | N | Natural (termosifón) |
| F | Forzado (accionado por bomba) | ||
| D | Dirigido a través de conductos de bobinado específicos | ||
| Tercero | Tipo de refrigerante externo | A | Aire |
| W | Agua | ||
| 4ª | Circulación externa de refrigerante | N | Convección natural |
| F | Forzado (ventiladores o bombas) |
ONAN (Aceite Natural, Aire Natural): El aceite mineral circula por efecto termosifón: el aceite caliente sube y el refrigerado baja. El calor se transfiere al ambiente a través de las paredes del depósito y los radiadores por convección natural. Sin bombas ni ventiladores.
ONAF (Aceite natural, aire forzado): Misma circulación de aceite natural, pero los ventiladores fuerzan el aire a través de las superficies del radiador. El flujo de aire forzado aumenta la capacidad de rechazo de calor en 25-33% en comparación con el funcionamiento ONAN.
OFAF (Forzado por aceite, forzado por aire): Las bombas impulsan el aceite a través del transformador, mientras que los ventiladores mueven el aire a través de los refrigeradores. Ambos sistemas mecánicos maximizan la transferencia de calor en el mínimo espacio.
ODWF (Dirigidas por aceite, forzadas por agua): Las bombas impulsan el aceite a través de canales de bobinado específicos. Los intercambiadores de calor externos utilizan agua bombeada en lugar de aire, lo que resulta esencial para instalaciones interiores o atmósferas contaminadas.
La convección natural en los transformadores ONAN se basa en los diferenciales de densidad del aceite creados por los gradientes de temperatura. El aceite caliente cerca de los devanados (normalmente 85-95°C) asciende a través de los conductos de refrigeración, mientras que el aceite más frío (60-70°C) desciende desde las superficies de los radiadores. Este efecto de termosifón genera velocidades de flujo de aproximadamente 0,1-0,3 m/s a través de los canales de los devanados sin asistencia mecánica.
Los métodos de refrigeración forzada mejoran notablemente los coeficientes de transferencia de calor. La refrigeración por chorro de aire en diseños ONAF aumenta la transferencia de calor por convección desde las superficies de los radiadores entre 2 y 3 veces en comparación con la circulación natural. Los sistemas forzados por agua alcanzan coeficientes de transferencia de calor superiores a 1.000 W/m²-K en las superficies de los intercambiadores, lo que los hace adecuados para unidades de alta capacidad superiores a 100 MVA.
| Clase de refrigeración | Capacidad relativa | Rango de fiabilidad | Carga de mantenimiento | Aplicaciones típicas |
|---|---|---|---|---|
| ONAN | 1,0× (base) | Más alto | Mínimo | Distribución rural, lugares sensibles al ruido |
| ONAF | 1.25-1.33× | Alto | Bajo (fanservice) | Subestaciones urbanas, cargas variables |
| OFAF | 1.5-1.67× | Moderado | Medio (bombas + ventiladores) | Grandes transformadores de potencia, espacio limitado |
| ODWF | 1.67-2.0× | Más bajo | Alta (tratamiento del agua) | Instalaciones interiores, ambientes extremos |
La convención de doble clasificación merece atención: una placa de características que indique “10/12,5 MVA ONAN/ONAF” significa 10 MVA continuos con los ventiladores apagados, 12,5 MVA con los ventiladores en marcha. Esta flexibilidad permite a los operadores adaptar la intensidad de refrigeración a las condiciones de carga reales.
Para soluciones integrales de transformadores con diversas configuraciones de refrigeración, consulte nuestro fabricante de transformadores de distribución visión de conjunto.
[Visión experta: Selección de clases de refrigeración]
- Los datos de campo de más de 80 proyectos de subestaciones demuestran que las unidades de doble clasificación ONAN/ONAF proporcionan una flexibilidad óptima para cargas que varían entre 40-100% de la placa de características.
- El escalonamiento del ventilador en los umbrales de carga de 70% y 100% equilibra el consumo de energía con el margen térmico
- Las especificaciones OFAF añaden 15-25% al coste de capital; justifíquelo sólo cuando lo exijan las limitaciones de espacio o la densidad de carga.
- Las unidades refrigeradas por agua requieren programas continuos de tratamiento del agua; presupuesto anual de $3.000-8.000 para la gestión química.
La trayectoria de la resistencia térmica sigue una secuencia predecible: el calor fluye desde el conductor del devanado (cobre a ~75 °C de aumento) → a través del aislamiento de papel (conductividad térmica ≈ 0,13 W/m-K) → hacia el aceite del transformador (convección dependiente de la viscosidad) → a través de la pared del depósito → hacia los medios de refrigeración externos. Cada interfaz introduce una resistencia térmica que los sistemas de refrigeración deben superar.
| Parámetro | IEC 60076-2 Límite | Límite IEEE C57.12.00 |
|---|---|---|
| Aumento de la temperatura del aceite superior | 60 K | 65 K |
| Aumento medio del bobinado | 65 K | 65 K |
| Aumento del punto caliente (bobinado) | 78 K | 80 K |
| Temperatura ambiente máxima (para la clasificación) | 40°C | 30°C de media, 40°C máx. |
La temperatura del punto más caliente suele superar la temperatura media del bobinado en 13-23 K, dependiendo de la geometría del bobinado y de la eficiencia de la circulación del aceite. Este diferencial influye decisivamente en el envejecimiento del aislamiento según la ecuación de Arrhenius.
Cada aumento de 6-8 K por encima de la temperatura nominal del punto caliente duplica aproximadamente la tasa de degradación del aislamiento. Esta relación exponencial hace que el control del punto caliente, y no el control de la temperatura media, sea el verdadero factor determinante de la longevidad del transformador.
| Temperatura del punto caliente | Índice de envejecimiento relativo | Vida útil aproximada |
|---|---|---|
| 98°C | 1,0× (referencia) | ~180.000 horas |
| 104°C | 2.0× | ~90.000 horas |
| 110°C | 4.0× | ~45.000 horas |
| 116°C | 8.0× | ~22.500 horas |
Para las especificaciones de adquisición, solicite tanto los valores de aumento de temperatura garantizados como los resultados reales de las pruebas en fábrica. Las unidades que alcanzan un aumento del aceite superior de 52-55 K en condiciones de prueba proporcionan un margen superior para eventos de sobrecarga en comparación con las unidades probadas exactamente en límites de 60 K.
Es esencial comprender la coordinación térmica entre los transformadores y la protección aguas arriba. Nuestra guía principios de funcionamiento del disyuntor de vacío explica las consideraciones complementarias de protección.
La mayoría de los transformadores de distribución no funcionan continuamente a carga nominal. La carga variable crea ciclos térmicos en los que los periodos de carga ligera permiten la recuperación de los picos de tensión. La norma IEC 60076-7 codifica las prácticas de sobrecarga aceptables.
| Tipo de carga | Duración | Límite típico | Restricción del punto caliente |
|---|---|---|---|
| Cíclico normal | Indefinido | Placa de características 100% | 98°C continuo |
| Sobrecarga planificada | Horario | 120-150% | 120°C pico |
| Sobrecarga de emergencia | <30 minutos | 150-180% | 140°C máximo absoluto |
Estas capacidades presuponen que el transformador no estaba caliente, que los sistemas de refrigeración funcionan correctamente y que tras la sobrecarga se producen periodos de recuperación con carga reducida.
Los valores nominales se basan en condiciones ambientales específicas. Cuando las condiciones ambientales reales superen las supuestas:
Las instalaciones a gran altitud en regiones montañosas se enfrentan a retos aún mayores: el aire más fino reduce tanto la eficacia de la refrigeración por convección como la rigidez dieléctrica. Una instalación a 2.500 m puede requerir una reducción de la capacidad 6%, además de una mejora de los valores BIL.
Cada clase de refrigeración conlleva características de fiabilidad distintas que repercuten directamente en los costes del ciclo de vida y en el riesgo operativo.
Modos de fallo de ONAN:
Fallos adicionales de la ONAF:
Fallos adicionales de la OFAF/ODWF:
Clasificación de la fiabilidad (de mayor a menor): ONAN > ONAF > OFAF > ODWF
Para aplicaciones críticas, especifique bancos de ventiladores N+1 (un banco puede fallar sin reducción de potencia inmediata), bombas de aceite redundantes para OFAF/ODAF y potencia de control independiente para auxiliares de refrigeración. Estas características de redundancia se integran con esquemas de protección de subestaciones más amplios (consulte nuestra fabricante de componentes de conmutación para la coordinación a nivel de sistema.
[Perspectiva del experto: observaciones de fiabilidad sobre el terreno]
- Los motores de los ventiladores en entornos costeros suelen durar entre 6 y 8 años, mientras que en el interior entre 12 y 15 años, debido a la contaminación salina.
- Las averías de los retenes de las bombas de aceite suelen preceder a las fugas de aceite detectables entre 6 y 12 meses; la supervisión de las vibraciones detecta la degradación temprana.
- La recalibración del sensor de temperatura cada 3-5 años evita errores de escalonamiento del ventilador que reducen silenciosamente la capacidad del transformador.
- El control de la pérdida de potencia durante las perturbaciones de la red desactiva la refrigeración precisamente cuando los transformadores más la necesitan: especifique un SAI de reserva
Una caracterización precisa de la carga evita tanto las especificaciones insuficientes como las excesivas:
| Especificación Artículo | Orientación |
|---|---|
| Clase de refrigeración | Especifique el primario y el secundario (por ejemplo, ONAN/ONAF) |
| Puesta en escena del ventilador | Número de etapas, consignas de temperatura (normalmente 70%, carga 100%) |
| Redundancia | Ventiladores N+1 para cargas críticas, bombas redundantes si OFAF |
| Límites de ruido | Especifique dB(A) a una distancia definida |
| Interfaz de control | Indicación local, alarma remota, puntos SCADA |
| Control de la temperatura | Indicador Top-oil (estándar), WTI con simulación de punto caliente (recomendado) |
Consecuencias de la falta de especificación: Envejecimiento prematuro del aislamiento, restricciones de carga operativa, disputas de garantía sobre el rendimiento térmico.
Consecuencias de la sobreespecificación: 15-25% gastos de capital innecesarios, carga de mantenimiento permanente para la capacidad no utilizada.
Orientación sobre el impacto de los costes: ONAN→ONAF añade 5-10% al coste del transformador. ONAF→OFAF añade 15-25%. Adapte la clase de refrigeración al perfil de carga real, no a los peores supuestos.
Para la adquisición coordinada de transformadores con equipos de conmutación aguas arriba, nuestros fabricante de interruptores de vacío En esta página se describen los enfoques integrados de especificación.
Cuando el crecimiento de la carga supera los supuestos de diseño originales, la evaluación térmica sistemática orienta las decisiones de mejora.
Inspección visual:
Verificación operativa:
Tendencia de la temperatura:
Añade etapas de ventilador: Convertir ONAN en ONAF añadiendo ventiladores montados en el radiador. Requiere una superficie de radiador adecuada y la actualización del sistema de control. Coste: $8.000-25.000 en función del tamaño de la unidad.
Añadir bancos de radiadores: Aumentan la superficie de evacuación del calor. Limitado por los puntos de conexión del depósito y la capacidad estructural de los cimientos.
Gestión de la carga operativa: Repartir las cargas entre varios transformadores, aplicar la respuesta a la demanda o aceptar la reducción de la capacidad máxima como alternativa de menor coste.
XBRELE fabrica transformadores de distribución con configuraciones de refrigeración adaptadas a sus necesidades operativas reales, no sistemas sobredimensionados que derrochan capital ni unidades infradimensionadas que limitan la flexibilidad operativa.
Opciones de refrigeración disponibles: Configuraciones ONAN, ONAF y ONAN/ONAF de doble clasificación en toda nuestra gama de transformadores de distribución.
Apoyo de ingeniería: Nuestro equipo de aplicaciones revisa los datos del perfil de carga, las condiciones del emplazamiento y los objetivos de coste del ciclo de vida para recomendar las especificaciones de clase de refrigeración adecuadas antes de realizar el presupuesto.
Verificación en fábrica: Todas las unidades se someten a pruebas de aumento de temperatura según los requisitos de la norma IEC 60076-2, con informes de pruebas certificados que documentan el rendimiento térmico real frente a los valores garantizados.
Solicitar una consulta para revisar los requisitos de refrigeración de su transformador, o envíe sus especificaciones para obtener un presupuesto competitivo con recomendaciones de ingeniería incluidas.
P: ¿Qué diferencia hay entre la refrigeración de transformadores ONAN y ONAF?
R: ONAN se basa por completo en la circulación natural del aceite y la refrigeración pasiva por aire sin componentes mecánicos, mientras que ONAF añade ventiladores montados en el radiador que aumentan la capacidad de rechazo del calor en 25-33% cuando están activados.
P: ¿En qué medida afecta la temperatura ambiente a la capacidad de carga del transformador?
R: Cada grado Celsius por encima de la temperatura ambiente de diseño de 30°C requiere normalmente una reducción de carga de 1,5% para mantener temperaturas de funcionamiento seguras; una temperatura ambiente de 40°C puede limitar el funcionamiento continuo a aproximadamente 85% de la potencia nominal indicada en la placa.
P: ¿Pueden funcionar los transformadores por encima de la potencia nominal en caso de emergencia?
R: Las sobrecargas de corta duración de hasta 150-180% suelen ser aceptables durante periodos inferiores a 30 minutos, siempre que la unidad no haya estado sometida ya a estrés térmico y siga un periodo de recuperación con carga reducida.
P: ¿Qué clase de refrigeración ofrece la mayor fiabilidad?
R: ONAN ofrece la máxima fiabilidad porque no contiene equipos rotativos: cada componente añadido (ventiladores en ONAF, bombas en OFAF) introduce modos de fallo adicionales que requieren mantenimiento.
P: ¿Qué temperatura determina realmente la vida útil del aislamiento de un transformador?
R: La temperatura del punto caliente del bobinado rige la velocidad de envejecimiento, normalmente entre 13 y 23 K por encima de la temperatura media del bobinado, dependiendo del diseño; este pico localizado -no la temperatura del aceite a granel- impulsa la degradación de la celulosa.
P: ¿Cuánto cuesta adicionalmente pasar de ONAN a ONAF?
R: Se prevé un aumento del coste de 5-10% para la capacidad ONAF con respecto a la clasificación ONAN equivalente; el paso a OFAF añade 15-25% debido a las bombas, los controles mejorados y los requisitos de redundancia.
P: ¿Se pueden reequipar los transformadores ONAN existentes con refrigeración forzada?
R: La adición de ventiladores a posteriori es factible si los radiadores existentes tienen suficiente superficie, y suele costar entre $8.000 y 25.000, incluidos los controles; la readaptación de bombas para la conversión OFAF rara vez es rentable en comparación con la sustitución.
Para obtener información detallada sobre cálculos de carga y metodologías de modelización de temperaturas de puntos calientes, consulte IEEE C57.91 (Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers) disponible a través de la Asociación de Estándares IEEE.
Esta guía proporciona orientaciones de ingeniería para la especificación y adquisición de refrigeración de transformadores. Las aplicaciones específicas requieren una evaluación por parte de ingenieros cualificados que tengan en cuenta las condiciones locales, los códigos aplicables y los requisitos de interconexión de las compañías eléctricas.
