Explicação das classes de resfriamento de transformadores ONAN ONAF OFAF: Limites de temperatura, capacidade de carga e especificações de aquisição

Introdução

O aumento da temperatura nos transformadores de potência determina os limites de carga operacional, a vida útil esperada e a confiabilidade dos ativos a longo prazo. Os códigos de resfriamento de quatro letras - ONAN, ONAF, OFAF, ODWF - codificam como o calor se move dos enrolamentos para o ar ambiente, fornecendo aos engenheiros de compras critérios de seleção críticos para combinar a capacidade térmica com as condições reais do local.

A física se concentra em dois mecanismos de perda: perdas sem carga no núcleo magnético e perdas com carga nos enrolamentos. Essas perdas são convertidas em calor que deve ser transferido por um caminho térmico - dos condutores de cobre, passando pelo papel isolante, pelo óleo do transformador e, finalmente, pelo ar ambiente ou pela água. O gradiente de temperatura nesse caminho determina a temperatura do ponto de acesso, o parâmetro mais crítico para o envelhecimento do isolamento de celulose.

A seleção do código de resfriamento influencia diretamente as classificações de MVA alcançáveis sob limites térmicos idênticos. Um transformador com classificação ONAN pode atingir apenas 60-75% de sua classificação ONAF devido à redução da dissipação de calor sem assistência de ar forçado. Compreender essa relação evita dois erros de aquisição dispendiosos: subespecificação de unidades que funcionam a quente e envelhecem prematuramente ou superespecificação de unidades com capacidade de resfriamento que você nunca utiliza.

O que significam os códigos de resfriamento do transformador?

Todo transformador imerso em óleo tem uma designação de resfriamento de quatro letras em sua placa de identificação. Essas letras seguem a nomenclatura IEC 60076-2 e codificam o caminho completo de transferência de calor em um formato compacto que determina a capacidade máxima de carga contínua, os requisitos de equipamentos auxiliares e as características de confiabilidade de longo prazo.

O sistema de quatro letras decodificado

ONAN (Óleo Natural, Ar Natural): O óleo mineral circula por efeito termossifão - o óleo quente sobe, o óleo resfriado desce. O calor é transferido para o ambiente por meio das paredes do tanque e dos radiadores por convecção natural. Sem bombas, sem ventiladores.

ONAF (Óleo natural, ar forçado): A mesma circulação natural de óleo, mas os ventiladores forçam o ar através das superfícies do radiador. O fluxo de ar forçado aumenta a capacidade de rejeição de calor em 25-33% em comparação com a operação ONAN.

OFAF (Forçado a óleo, forçado a ar): As bombas conduzem o óleo pelo transformador, enquanto os ventiladores movem o ar pelos resfriadores. Ambos os sistemas mecânicos maximizam a transferência de calor com o menor espaço ocupado.

ODWF (Dirigida por óleo, forçada por água): As bombas empurram o óleo por canais de enrolamento dedicados. Os trocadores de calor externos usam água bombeada em vez de ar - essencial para instalações internas ou atmosferas contaminadas.

Como é o desempenho de cada classe de resfriamento: ONAN vs ONAF vs OFAF vs ODWF

A convecção natural nos transformadores ONAN depende dos diferenciais de densidade do óleo criados pelos gradientes de temperatura. O óleo quente próximo aos enrolamentos (normalmente de 85 a 95 °C) sobe pelos dutos de resfriamento, enquanto o óleo mais frio (60 a 70 °C) desce pelas superfícies do radiador. Esse efeito de termossifão gera velocidades de fluxo de aproximadamente 0,1 a 0,3 m/s por meio de canais de enrolamento sem assistência mecânica.

Os métodos de resfriamento forçado aumentam significativamente os coeficientes de transferência de calor. O resfriamento por jato de ar em projetos ONAF aumenta a transferência de calor por convecção das superfícies do radiador em 2 a 3 vezes em comparação com a circulação natural. Os sistemas forçados a água atingem coeficientes de transferência de calor superiores a 1.000 W/m²-K nas superfícies do trocador de calor, o que os torna adequados para unidades de alta capacidade acima de 100 MVA.

A convenção de classificação dupla merece atenção: uma placa de identificação mostrando “10/12,5 MVA ONAN/ONAF” significa 10 MVA contínuos com os ventiladores desligados e 12,5 MVA com os ventiladores funcionando. Essa flexibilidade permite que os operadores adaptem a intensidade do resfriamento às condições reais de carga.

Para obter soluções abrangentes de transformadores com várias configurações de resfriamento, consulte nosso fabricante de transformadores de distribuição Visão geral.

[Insight do especialista: Seleção da classe de resfriamento]

• Dados de campo de mais de 80 projetos de subestações mostram que as unidades de classificação dupla ONAN/ONAF oferecem flexibilidade ideal para cargas que variam de 40-100% da placa de identificação
• A preparação do ventilador nos limites de carga de 70% e 100% equilibra o consumo de energia com a margem térmica
• As especificações do OFAF acrescentam o 15-25% ao custo de capital - justificar somente quando houver restrições de espaço ou densidade de carga
• As unidades resfriadas a água exigem programas contínuos de tratamento de água; orçamento de $3.000 a 8.000 anualmente para o gerenciamento de produtos químicos

Limites de aumento de temperatura e como eles afetam a vida útil do transformador

O caminho da resistência térmica segue uma sequência previsível: o calor flui do condutor do enrolamento (cobre a uma elevação de aproximadamente 75 °C) → através do isolamento de papel (condutividade térmica ≈ 0,13 W/m-K) → para o óleo do transformador (convecção dependente da viscosidade) → através da parede do tanque → para o meio de resfriamento externo. Cada interface introduz uma resistência térmica que os sistemas de resfriamento devem superar.

Limites de temperatura IEC e IEEE

A temperatura do ponto mais quente normalmente excede a temperatura média do enrolamento em 13-23 K, dependendo da geometria do enrolamento e da eficiência da circulação do óleo. Esse diferencial influencia criticamente o envelhecimento do isolamento de acordo com a equação de Arrhenius.

A relação de Arrhenius

Cada aumento de 6 a 8 K acima da temperatura nominal do ponto quente dobra aproximadamente a taxa de degradação do isolamento. Essa relação exponencial torna o controle do ponto quente - e não o controle da temperatura média - o verdadeiro determinante da longevidade do transformador.

Para especificações de aquisição, solicite os valores de aumento de temperatura garantidos e os resultados reais dos testes de fábrica. As unidades que atingem 52-55 K de aumento do óleo superior sob condições de teste oferecem uma margem superior para eventos de sobrecarga em comparação com as unidades testadas exatamente nos limites de 60 K.

É essencial entender a coordenação térmica entre os transformadores e a proteção upstream. Nosso guia para princípios de funcionamento do disjuntor a vácuo explica as considerações de proteção complementar.

Carregamento além da placa de identificação: Limites de sobrecarga e fatores de derivação

A maioria dos transformadores de distribuição não opera continuamente com carga nominal. A carga variável cria ciclos térmicos em que períodos de carga leve permitem a recuperação de eventos de estresse de pico. A norma IEC 60076-7 codifica as práticas de sobrecarga aceitáveis.

Limites de sobrecarga cíclica e de emergência

Esses recursos pressupõem que o transformador ainda não estava aquecido, que os sistemas de resfriamento operam corretamente e que os períodos de recuperação subsequentes com carga reduzida seguem o evento de sobrecarga.

Derivação de ambiente e altitude

As classificações da placa de identificação pressupõem condições ambientais específicas. Quando o ambiente real exceder as premissas:

• Redução de temperatura: Reduzir a carga em ~1,5% por °C acima da média ambiente de 30°C
• Redução de potência em altitude: Reduzir a capacidade ~0,4% por 100 m acima de 1.000 m para unidades com resfriamento natural

As instalações em alta altitude em regiões montanhosas enfrentam desafios ainda maiores - o ar mais fino reduz a eficácia do resfriamento por convecção e a resistência dielétrica. Uma instalação de 2.500 m pode exigir a redução da capacidade do 6%, além de classificações BIL aprimoradas.

Confiabilidade do sistema de resfriamento: Modos de falha e planejamento de redundância

Cada classe de resfriamento tem características de confiabilidade distintas que afetam diretamente os custos do ciclo de vida e o risco operacional.

Modos de falha da ONAN:

• Contaminação do óleo, aumentando a viscosidade
• Aletas do radiador obstruídas por detritos ou acúmulo de tinta
• Corrosão do tanque comprometendo a transferência de calor

Falhas adicionais da ONAF:

• Queimadura do motor do ventilador (vida útil típica: 8 a 15 anos)
• Desvio do sensor de temperatura causando preparação inadequada
• Falhas no relé de controle que impedem a ativação do ventilador

Falhas adicionais do OFAF/ODWF:

• Vazamentos na vedação da bomba de óleo que exigem resposta de contenção
• Mau funcionamento da chave de fluxo mascarando problemas de circulação
• Falhas complexas no sistema de controle que exigem diagnósticos especializados

Classificação da confiabilidade (da maior para a menor): ONAN > ONAF > OFAF > ODWF

Para aplicações críticas, especifique bancos de ventiladores N+1 (um banco pode falhar sem redução imediata), bombas de óleo redundantes para OFAF/ODAF e potência de controle independente para auxiliares de resfriamento. Esses recursos de redundância se integram a esquemas mais amplos de proteção de subestações - consulte nosso Fabricante de componentes de painel de distribuição página para coordenação em nível de sistema.

[Percepção do especialista: observações de confiabilidade de campo]

• Os motores dos ventiladores em ambientes costeiros duram de 6 a 8 anos, em comparação com 12 a 15 anos no interior, devido à contaminação por sal
• As falhas na vedação da bomba de óleo geralmente precedem os vazamentos de óleo detectáveis em 6 a 12 meses; o monitoramento da vibração detecta a degradação precoce
• A recalibração do sensor de temperatura a cada 3 a 5 anos evita erros de posicionamento do ventilador que reduzem silenciosamente a capacidade do transformador
• A perda de energia de controle durante distúrbios na rede desativa o resfriamento exatamente quando os transformadores mais precisam dele - especifique o backup do UPS

Lista de verificação de especificações de suprimento: O que incluir em sua solicitação de cotação

Dados de perfil de carga para fornecer

A caracterização precisa da carga evita tanto a subespecificação quanto a superespecificação:

• Magnitude da carga de pico e duração esperada
• Padrão do ciclo de carga diário (os perfis residencial e industrial diferem significativamente)
• Variação sazonal e projeções de crescimento de carga (5 anos, 10 anos)
• Requisitos de carga de emergência e duração aceitável

Parâmetros de condição do local

• Temperatura ambiente máxima registrada (não média)
• Temperatura ambiente média para cálculos de capacidade
• Altitude do local acima do nível do mar
• Taxas de ventilação interna ou restrições de orientação externa
• Restrições de ruído (limites de dB(A) no limite da propriedade)

Tabela de especificações do sistema de resfriamento

Erros comuns de especificação

Consequências da subespecificação: Envelhecimento prematuro do isolamento, restrições de carga operacional, disputas de garantia sobre o desempenho térmico.

Consequências da superespecificação: 15-25% despesas de capital desnecessárias, ônus de manutenção contínua para capacidade não utilizada.

Orientação sobre o impacto nos custos: ONAN→ONAF adiciona 5-10% ao custo do transformador. ONAF→OFAF adiciona 15-25%. Combine a classe de resfriamento com o perfil de carga que você realmente tem, e não com as suposições do pior caso.

Para a aquisição coordenada de transformadores com equipamentos de comutação a montante, nossa fabricante de disjuntores a vácuo A página descreve as abordagens de especificação integrada.

Avaliação de campo: Avaliação da adequação do resfriamento em transformadores existentes

Quando o crescimento da carga excede as suposições originais do projeto, a avaliação térmica sistemática orienta as decisões de atualização.

Lista de verificação de auditoria térmica

Inspeção visual:

• Aletas do radiador livres de detritos, corrosão e acúmulo de tinta
• Lâminas do ventilador intactas e girando livremente
• Nível de óleo dentro da faixa normal no medidor com correção de temperatura
• Nenhum vazamento de óleo nas conexões do radiador ou nas vedações da bomba

Verificação operacional:

• Partida do ventilador no ponto de ajuste de temperatura correto (verifique a placa de identificação)
• Todos os estágios do ventilador operacionais sob carga
• Bombas de óleo funcionando com vibração e ruído normais (quando aplicável)
• Indicadores de fluxo mostrando a circulação dentro da faixa projetada

Tendência de temperatura:

• Compare a temperatura do óleo superior com a carga e o ambiente durante mais de 30 dias
• Validar a leitura do WTI em relação ao hot-spot calculado usando os métodos IEEE C57.91
• Analise as tendências históricas de degradação gradual indicando perda de resfriamento

Opções de upgrade

Adicione estágios de ventilador: Converta ONAN em ONAF adicionando ventiladores montados no radiador. Requer área de superfície adequada do radiador e atualização do sistema de controle. Custo: $8.000-25.000, dependendo do tamanho da unidade.

Adicione bancos de radiadores: Aumento da área de superfície para rejeição de calor. Limitado pelos pontos de conexão do tanque e pela capacidade estrutural da fundação.

Gerenciamento de carga operacional: Distribuir as cargas em vários transformadores, implementar resposta à demanda ou aceitar capacidade reduzida de pico como alternativa de menor custo.

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A XBRELE fabrica transformadores de distribuição com configurações de resfriamento adequadas aos seus requisitos operacionais reais - não sistemas superdimensionados que desperdiçam capital ou unidades subdimensionadas que limitam a flexibilidade operacional.

Opções de resfriamento disponíveis: Configurações de classificação dupla ONAN, ONAF e ONAN/ONAF em toda a nossa linha de transformadores de distribuição.

Suporte de engenharia: Nossa equipe de aplicações analisa os dados do perfil de carga, as condições do local e os objetivos de custo do ciclo de vida para recomendar as especificações adequadas da classe de resfriamento antes da cotação.

Verificação de fábrica: Todas as unidades passam por testes de aumento de temperatura de acordo com os requisitos da norma IEC 60076-2, com relatórios de testes certificados que documentam o desempenho térmico real em relação aos valores garantidos.

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Perguntas frequentes

P: Qual é a diferença entre o resfriamento de transformadores ONAN e ONAF?
R: A ONAN depende inteiramente da circulação natural do óleo e do resfriamento passivo do ar sem componentes mecânicos, enquanto a ONAF adiciona ventiladores montados no radiador que aumentam a capacidade de rejeição de calor em 25-33% quando energizados.

P: Quanto a temperatura ambiente afeta a capacidade de carga do transformador?
R: Cada grau Celsius acima da temperatura ambiente de projeto de 30°C normalmente requer uma redução de carga de 1,5% para manter temperaturas operacionais seguras; uma temperatura ambiente de 40°C pode limitar a operação contínua a aproximadamente 85% da classificação da placa de identificação.

P: Os transformadores podem operar acima da placa de identificação durante emergências?
R: Sobrecargas de curta duração de até 150-180% são geralmente aceitáveis por períodos inferiores a 30 minutos, desde que a unidade não tenha sofrido estresse térmico e que haja um período de recuperação com carga reduzida.

P: Qual classe de resfriamento oferece a maior confiabilidade?
R: A ONAN oferece a mais alta confiabilidade porque não contém equipamentos rotativos - cada componente adicionado (ventiladores na ONAF, bombas na OFAF) introduz modos de falha adicionais que exigem manutenção.

P: Qual temperatura realmente determina a vida útil do isolamento do transformador?
R: A temperatura do ponto quente do enrolamento rege a taxa de envelhecimento, normalmente sendo 13-23 K mais alta do que a temperatura média do enrolamento, dependendo do projeto; esse pico localizado - e não a temperatura do óleo a granel - impulsiona a degradação da celulose.

P: Qual é o custo adicional do upgrade de ONAN para ONAF?
R: Espera-se um aumento de custo de 5-10% para a capacidade ONAF em relação à classificação ONAN equivalente; a mudança para OFAF adiciona 15-25% devido a bombas, controles aprimorados e requisitos de redundância.

P: Os transformadores ONAN existentes podem ser adaptados com resfriamento forçado?
R: A adição de ventilador de retrofit é viável se os radiadores existentes tiverem área de superfície suficiente, normalmente custando de $8.000 a 25.000, incluindo controles; retrofits de bombas para conversão de OFAF raramente são econômicos em comparação com a substituição.

Referência externa

Para obter cálculos detalhados de carga e metodologias de modelagem de temperatura de ponto quente, consulte o IEEE C57.91 (Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers) disponível no site da Associação de Padrões IEEE.

Este guia fornece orientação de engenharia para especificação e aquisição de resfriamento de transformadores. As aplicações específicas exigem avaliação por engenheiros qualificados, considerando as condições locais, os códigos aplicáveis e os requisitos de interconexão da concessionária.