Aumento de temperatura del transformador: límites, cálculo y guía de enfriamiento

Aumento de temperatura del transformadorEs uno de esos detalles técnicos que pueden parecer simples sobre el papel pero que son muy importantes en el funcionamiento real. Todo transformador produce calor cuando está energizado y transporta una carga. El desafío es sacar ese calor de manera eficiente y mantener el núcleo, los devanados, el aislamiento y el aceite dentro del rango de temperatura diseñado.

Esto se vuelve especialmente importante con unatransformador sumergido en aceite-. El aceite para transformadores hace más que proporcionar aislamiento eléctrico. También aleja el calor de las partes activas y lo transfiere al tanque, los radiadores y el aire circundante.

Entonces, cuando los ingenieros hablan deAumento de temperatura de transformadores-inmersos en aceite., en realidad están analizando todo el sistema térmico - pérdidas del transformador, circulación de aceite, equipos de enfriamiento, condiciones ambientales, diseño del tanque y carga real.

Aumento de temperatura y temperatura de los transformadores.

Primero conviene aclarar un punto en común:temperatura del transformadoryaumento de temperatura del transformadorno son lo mismo.

La temperatura del transformador es la temperatura real de un componente, como el devanado, el aceite superior, el núcleo o el tanque. El aumento de temperatura esla diferencia entreesa temperatura y la temperatura ambiente o de referencia especificada.

En términos simples:

Temperatura del transformador=Temperatura ambiente + Aumento de temperatura

Por ejemplo, si la temperatura ambiente es de 30 grados y el aumento-de la temperatura superior del aceite es de 55 K, la temperatura superior-del aceite aproximada es de 85 grados.

Por supuesto, un transformador real no es tan sencillo. Diferentes partes operan a diferentes temperaturas. La temperatura del devanado normalmente es más alta que la del aceite circundante y una pequeña área del devanado puede calentarse mucho más que la temperatura promedio del devanado. Esta zona de mayor-temperatura se conoce comopunto caliente sinuoso.

Es por eso que el diseño térmico del transformador considera más de una sola lectura de temperatura.

Estándares de aumento de temperatura del transformador

Los requisitos de aumento de temperatura-dependen de la norma aplicable, el diseño del transformador, el sistema de aislamiento, el método de enfriamiento y las condiciones de operación.

CEI 60076-2proporciona requisitos para pruebas de aumento de temperatura-para transformadores sumergidos en líquido-. ElIEEE C57La serie también se usa ampliamente, particularmente para aplicaciones de transformadores en América del Norte.

Para un proyecto específico, siempre es mejor verificar la norma aplicable y las especificaciones del proyecto en lugar de simplemente copiar una cifra de temperatura de otro transformador.

Tabla de límites de aumento de temperatura del transformador

Para diseños de transformadores sumergidos en líquido-convencionales, los valores comúnmente referenciados de IEC 60076-2 incluyen los siguientes:

Estas cifras son referencias de ingeniería útiles, pero no deben tratarse como límites universales para cada transformador. Los requisitos reales pueden variar según el líquido aislante, el sistema de aislamiento, la disposición de refrigeración, las especificaciones del transformador y la norma aplicable.

Y hay otro punto que es fácil pasar por alto:El aumento de temperatura no es temperatura absoluta..

La tabla es sólo una simple ilustración. La temperatura operativa real del transformador depende de la carga, las condiciones de enfriamiento, la distribución del calor y el diseño térmico del fabricante.

Las prácticas de transformadores IEEE también distinguen entre diseños con diferentes aumentos promedio de temperatura del devanado, incluidos los comúnmente utilizados.55 gradosy65 gradosdiseños para transformadores sumergidos en-aceite-mineral. Así que, nuevamente, los datos técnicos garantizados por el fabricante deben ser la referencia final para un proyecto específico.

Envejecimiento del material aislante y aumento de temperatura

La temperatura tiene un efecto directo sobre el envejecimiento del aislamiento del transformador.

Cuando el aislamiento funciona a temperaturas elevadas durante períodos prolongados, su proceso de envejecimiento generalmente se acelera. Tanto el aislamiento sólido como el aceite aislante pueden verse afectados por un estrés térmico continuo.

Elpunto caliente sinuosomerece especial atención. Un transformador puede tener una temperatura promedio aceptable de devanado mientras que un área localizada se calienta significativamente más.

Un buen diseño del transformador intenta mantener estos puntos calientes bajo control. La geometría adecuada del devanado, las rutas de flujo de aceite-, la selección de conductores y la capacidad de enfriamiento influyen.

Temperatura ambiente promedio ponderada

Temperatura ambientees otro factor que no debe pasarse por alto.

Un transformador que funcione con el mismo aumento de temperatura obviamente tendrá una temperatura absoluta más alta cuando se instale en un ambiente caluroso.

Esto es particularmente relevante en regiones tropicales, subestaciones cerradas e instalaciones industriales donde las temperaturas circundantes pueden permanecer altas durante períodos prolongados.

Es posible que los ingenieros deban considerar las temperaturas estacionales, la altitud de instalación, la ventilación, la radiación solar y los equipos cercanos.

En otras palabras, el mismo transformador puede comportarse de manera muy diferente en dos entornos de instalación incluso cuando el aumento de temperatura nominal es idéntico.

Calefacción y refrigeración de transformadores

Un transformador genera calor principalmente a través dePérdida del núcleo, pérdida del devanado y pérdida por carga parásita..

Las pérdidas del núcleo están asociadas principalmente con histéresis y corrientes parásitas en el núcleo magnético. Las pérdidas en los devanados están relacionadas principalmente con la resistencia del conductor, mientras que pueden ocurrir pérdidas adicionales en los devanados, las paredes del tanque, las abrazaderas y otros componentes metálicos.

Para un transformador-inmerso en aceite, la ruta básica de transferencia de calor-se ve así:

Núcleo y devanados → aceite de transformador → tanque/radiadores → aire circundante

Cuando el transformador alcanza el equilibrio térmico, el calor que se genera en su interior se equilibra aproximadamente con el calor que se libera en el exterior.

Métodos de disipación de calor del transformador

Varios mecanismos-de transferencia de calor funcionan juntos dentro de un transformador.

Para un transformador pequeño o mediano, la refrigeración natural puede ser suficiente. Sin embargo, a medida que aumenta la capacidad del transformador, también aumenta la cantidad de calor que es necesario eliminar. Ahí es donde entran en juego los bancos de radiadores más grandes, los ventiladores, las bombas o la circulación de aceite dirigida.

Métodos de enfriamiento de transformadores

Se utilizan habitualmente varias disposiciones de refrigeración para transformadores-inmersos en aceite.

El enfriamiento ONAN sigue siendo una opción popular porque es relativamente simple y confiable. Hay menos componentes auxiliares que mantener, lo que supone una auténtica ventaja en muchas instalaciones.

Para transformadores más grandes, se pueden agregar ventiladores para aumentar la capacidad de enfriamiento. Los transformadores de potencia muy grandes pueden utilizar circulación-de aceite forzada para proporcionar una transferencia de calor más controlada.

Calentamiento y enfriamiento de transformadores-inmersos en aceite

Aceite de transformadorestá en el corazón del sistema térmico en un transformador-inmerso en aceite.

A medida que el núcleo y los devanados generan calor, el aceite circundante se calienta. El aceite caliente se vuelve menos denso y naturalmente se mueve hacia arriba, mientras que el aceite más frío se mueve hacia abajo. Esto crea circulación dentro del transformador.

Básicamente, así es como funciona la refrigeración ONAN.

El aceite calentado finalmente llega al tanque yradiadores, donde su calor se transfiere al aire circundante.

La carga del transformador tiene un efecto importante en este proceso. Las pérdidas del devanado son aproximadamente proporcionales al cuadrado de la corriente:

Pcu∝I²

Eso significa que un aumento relativamente modesto en la corriente puede resultar en un aumento mucho mayor en las pérdidas del devanado.

Esta es una comparación simplificada. Las pérdidas reales del transformador son más complicadas porque la resistencia del conductor cambia con la temperatura y existen pérdidas parásitas adicionales.

Aun así, el mensaje es bastante claro: una sobrecarga sostenida puede convertirse rápidamente en un problema térmico.

Aumento de temperatura de los-bobinados de transformadores sumergidos en aceite

Elaumento de temperatura de los devanados del transformador sumergidos en aceite-es uno de los parámetros clave en el diseño térmico de transformadores.

La temperatura del devanado se ve afectada por el material del conductor, la resistencia del devanado, la densidad de corriente, la geometría del devanado, los canales de flujo de aceite-, la disposición del aislamiento, el método de enfriamiento y la carga.

La temperatura tampoco se distribuye uniformemente por todo el devanado. Algunas áreas naturalmente serán más calientes que otras, y el lugar con la temperatura más alta-se convierte en el punto caliente sinuoso.

Una relación simplificada es:

Temperatura del punto-caliente=temperatura ambiente + aumento-del aceite superior + gradiente de temperatura del aceite entre-a-

El cálculo real es más complicado y depende del diseño del transformador y de la norma aplicable.

Métodos de cálculo de ingeniería para el flujo de aceite y el aumento de temperatura en los devanados

Los ingenieros pueden evaluar el flujo de aceite del transformador y la temperatura del devanado mediante cálculos analíticos, modelos térmicos y, para transformadores más grandes o complejos, dinámica de fluidos computacional (CFD).

Algunos de los parámetros principales incluyen:

Un buen diseño del flujo de petróleo-es fundamental. Si el aceite no circula adecuadamente a través de un devanado, se pueden desarrollar puntos calientes localizados incluso cuando la temperatura general del transformador parece aceptable.

Para transformadores de potencia grandes, el análisis CFD puede ayudar a los ingenieros a identificar flujos de aceite desiguales, gradientes de temperatura y posibles ubicaciones de puntos calientes-antes de fabricar el transformador.

Disipación de calor de tanques de aceite de transformadores

El depósito de aceite del transformador no es sólo un recipiente para el aceite. También forma parte del sistema de refrigeración.

Después de absorber el calor del núcleo y los devanados, el aceite transfiere ese calor a las paredes del tanque. Luego, la superficie del tanque libera el calor al entorno circundante.

Los transformadores más grandes normalmente requieren radiadores para proporcionar un área de transferencia de calor-adicional.

Disipación de calor por convección

La convección es una de las principales formas en que un transformador libera calor.

Cuando la superficie del tanque se calienta más que el aire circundante, el aire cercano se calienta, se vuelve menos denso y asciende. Luego, el aire más frío se mueve hacia la superficie del tanque.

Esto crea una circulación de aire natural y aleja el calor del transformador.

Con la refrigeración por aire-forzado, los ventiladores aumentan el flujo de aire a través de las superficies del radiador. Esto es especialmente útil cuando el transformador funciona con carga alta.

Radiación

La cuba del transformador y los radiadores también liberan calor mediante radiación térmica.

La cantidad de calor irradiado depende de la temperatura de la superficie, la emisividad, el área expuesta y las condiciones circundantes.

La radiación no funciona sola. En la práctica, la radiación y la convección operan juntas y ambas contribuyen a la disipación general de calor del transformador.

Aumento de temperatura de los tanques de aceite de transformadores tubulares

Los tanques de aceite de transformadores tubulares utilizan estructuras tubulares para aumentar el área de transferencia de calor-externa.

El camino térmico básico sigue siendo:

Partes activas → aceite → tanque tubular → aire circundante

Una superficie de enfriamiento más grande puede mejorar la disipación de calor, particularmente para transformadores enfriados naturalmente.

El aumento de temperatura de un tanque de aceite de transformador tubular depende de la carga del transformador, la circulación de aceite, las dimensiones de los tubos, el espaciado de los tubos, la temperatura ambiente y el flujo de aire alrededor del tanque.

Por lo tanto, el tanque debe diseñarse como parte del sistema térmico completo, junto con el núcleo, los devanados, los conductos de aceite, los radiadores y el aire circundante.

Por qué es importante el aumento de temperatura del transformador

¿Por qué dedicar tanto tiempo a discutir el aumento de temperatura? Porque tiene una conexión directa convida del aislamiento, capacidad de carga del transformador, rendimiento de refrigeración, confiabilidad y vida útil.

El funcionamiento-a largo plazo a temperaturas excesivas puede acelerar el envejecimiento del aislamiento y aumentar el riesgo de deterioro térmico. Por otro lado, un sistema de refrigeración de gran tamaño puede añadir costes innecesarios al equipo y consumo de energía auxiliar.

El objetivo no es simplemente enfriar el transformador lo más posible. La buena ingeniería consiste en encontrar el equilibrio adecuado entre generación de calor, disipación de calor, eficiencia, costo, confiabilidad y el perfil de carga real.

Las instalaciones eléctricas modernas también merecen una atención especial. Los centros de datos, los variadores-de frecuencia variable, los convertidores de energía-renovable, los sistemas de carga de vehículos eléctricos y otras cargas electrónicas-de energía pueden introducir corrientes armónicas. Estas corrientes pueden aumentar las pérdidas adicionales del transformador y contribuir al calentamiento.

Factores clave que afectan el aumento de temperatura del transformador

Al seleccionar o especificar un transformador-inmerso en aceite, vale la pena observar el entorno operativo completo en lugar de centrarse en un número de temperatura.

Conclusión

Aumento de temperatura del transformadorEs una parte fundamental del diseño, prueba y operación del transformador. Describe cuánto más se calienta un componente del transformador en comparación con la temperatura ambiente de referencia y proporciona una indicación útil de la efectividad del sistema térmico del transformador.

para untransformador sumergido en aceite-, el calor generado por el núcleo y los devanados se transfiere al aceite aislante, se transporta a través del sistema de enfriamiento, pasa al tanque y a los radiadores y finalmente se libera mediante convección y radiación.

ElAumento de temperatura de transformadores-inmersos en aceite.Depende de muchos factores, incluida la carga del transformador, la temperatura ambiente, el diseño del devanado, la circulación del aceite, el método de enfriamiento, la construcción del tanque y el área de transferencia de calor-disponible.

El punto caliente del devanado merece especial atención porque el sobrecalentamiento localizado puede acelerar el envejecimiento del aislamiento incluso cuando la temperatura promedio permanece dentro de límites aceptables.

Para fabricantes de transformadores comoTransformador YaweiPor lo tanto, el diseño térmico es una parte esencial de la ingeniería de productos. La configuración del devanado, las rutas de flujo de aceite-, la distribución de pérdidas, el diseño del radiador, el equipo de refrigeración y las pruebas de aumento de temperatura-todos deben trabajar juntos.

Al especificar un transformador, siempre verifique las normas aplicables.Estándares IEC 60076 o IEEE C57, requisitos del proyecto, sistema de aislamiento, disposición de refrigeración, condiciones ambientales y datos técnicos garantizados por el fabricante. Valores como60K, 65K, 70K y 78Kson valores de aumento de temperatura-de referencia en condiciones definidas, no límites de temperatura de funcionamiento-universales para cada transformador.

Al final, un buen diseño térmico es bastante simple en principio: generar menos calor innecesario, mover el calor de manera eficiente, mantener los puntos calientes bajo control y asegurarse de que el transformador pueda manejar la carga del mundo real-que realmente verá.

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