Los transformadores eléctricos están diseñados y desarrollados para regular megavatios de electricidad. Regulan la electricidad con bastante eficacia, pero con un inconveniente. Producen mucho calor residual cuando reducen o aumentan la electricidad para nuestro uso seguro. De ahí surgió el concepto de refrigeración de transformadores, pero ¿por qué es necesaria la refrigeración de transformadores?
La refrigeración de transformadores eléctricos es el proceso de eliminar el calor residual producido en el devanado del transformador y transferirlo de forma segura al entorno. Si no eliminamos este calor residual de forma segura y eficaz al entorno, el aislamiento del devanado del transformador puede fundirse y los cortocircuitos con exceso de calor pueden provocar la explosión del transformador.
Existen varios tipos de refrigeración de transformadores que se están desarrollando en función del diseño, el tamaño y la capacidad del transformador, así como de la norma o los requisitos industriales. Todos estos métodos están diseñados específicamente y sólo funcionan para un transformador concreto y satisfacen normas específicas.
Diferentes métodos de refrigeración de transformadores
Hay un total de seis métodos diferentes de refrigeración de transformadores que se han diseñado, desarrollado y se están utilizando en todo el mundo. Cada método fue diseñado y desarrollado para satisfacer sus necesidades específicas y sólo se utiliza para el tipo, tamaño y capacidad específicos de su transformador.
1.Enfriamiento por aire natural (AN)
Los métodos de enfriamiento por aire natural del transformador eliminan el calor del devanado de nuestro transformador a través de la convección natural del calor en el aire circundante. Es uno de los métodos de refrigeración de transformadores de tipo seco y no hay ningún mecanismo mecánico o especial de transferencia de calor para eliminar el calor.
El calor producido en el devanado del transformador se transfiere al aire circundante a través del proceso denominado convección libre. El aire, basándose en el flujo natural del aire, se lleva el calor del devanado del transformador.
Este método de refrigeración de transformadores sólo es adecuado para sus pequeños transformadores de baja capacidad que no producen mucho calor. El calor producido en estos devanados del transformador nunca es lo suficientemente alto como para fundir el aislamiento, causar cortocircuitos, o iniciar incendios o causar explosiones.
2. Enfriamiento por aire forzado(AF)
El método de enfriamiento de transformadores basado en aire forzado funciona de forma muy similar al método de enfriamiento por aire natural. También es uno de nuestros métodos de refrigeración de transformadores de tipo seco. Sólo hay una diferencia y es que el aire es forzado en el devanado del transformador para eliminar.
Este método también sigue los métodos de convección para eliminar el calor del devanado del transformador, pero su convección forzada y estos métodos eliminar mucho más calor y mucho más rápido.
Un ventilador de refrigeración del transformador se instala normalmente en el transformador que obliga al aire a pasar a través del conducto y en el devanado del transformador. Cuanto más rápido fluya el aire sobre el devanado, más calor eliminará y más efecto de refrigeración se podrá producir.
Este tipo de refrigeración de transformadores se utiliza en nuestros transformadores de capacidad pequeña a media, donde el calor generado es suficiente para fundir el aislamiento si no se elimina. El calor aquí no es lo suficientemente alto como para causar instantáneamente un incendio o una explosión, pero necesita una eliminación forzada para un trabajo eficiente.
3. Sistemas de refrigeración basados en aceite
Existen dos tipos principales de transformadores en función de cómo se refrigeran. Uno son los transformadores de tipo seco donde no hay fluido líquido utilizado para el propósito de refrigeración y luego están los transformadores de tipo aceite donde un aceite de refrigeración del transformador se utiliza para el propósito de refrigeración.
En nuestros transformadores de tipo aceite, el devanado del transformador se mantiene siempre sumergido en el aceite que funciona como un medio de transferencia de calor. El devanado se coloca dentro del tanque del transformador y luego el tanque se llena hasta arriba con aceite de refrigeración del transformador.
El calor producido en el devanado del transformador durante el funcionamiento es absorbido primero por el aceite de refrigeración del transformador, el aceite calentado transfiere entonces ese calor al tanque del transformador que tiene aletas de refrigeración del transformador. A continuación, se utiliza normalmente la convección libre o forzada para eliminar el calor del tanque del transformador.
3.1. Aceite Natural Aire Natural (ONAN)
En la categoría de transformadores de tipo aceite, el método de refrigeración natural aceite aire natural es el primer tipo que elimina el calor del devanado del transformador utilizando métodos de convección libre. El calor producido en el devanado de su transformador es absorbido primero por el aceite del transformador.
El aceite absorbe el calor utilizando el principio de convección libre y luego transfiere ese calor al tanque del transformador utilizando el mismo modo de convección libre de transferencia de calor. El tanque del transformador tiene aletas de refrigeración especialmente diseñadas que pueden facilitar la transferencia de calor desde el tanque del transformador a la atmósfera circundante.
Aquí esta transferencia de calor se realiza de nuevo utilizando el modo de convección libre de transferencia de calor donde el calor del cuerpo del tanque del transformador se transfiere al aire circundante. Es por eso que este método se llama métodos de enfriamiento natural de aire natural de aceite, porque todo el enfriamiento se realiza de forma natural sin la participación de ningún mecanismo mecánico para la convección forzada.
Este método de refrigeración de transformadores sólo se aplica a sus transformadores que producen poco calor en su devanado. El valor de este calor es superior al del método de refrigeración de transformadores por aire natural, pero no lo suficientemente alto como para necesitar convección forzada. Aún así, el calor producido aquí es suficiente para causar un incendio si no hay suficiente aceite de refrigeración del transformador dentro del tanque del transformador.
3.2. Aceite Natural Forzado por Aire (ONAF)
El segundo método en nuestros sistemas de enfriamiento de transformadores tipo aceite es el método de aceite natural forzado por aire. En estos métodos, el aceite absorbe el calor del devanado del transformador utilizando el principio de convección libre. Una vez que el aceite se ha calentado lo suficiente, empieza a transferir ese calor al cuerpo del tanque del transformador.
El cuerpo del tanque del transformador está diseñado específicamente con aletas de refrigeración del transformador para facilitar la transferencia de este calor del aceite de refrigeración del transformador al cuerpo del tanque utilizando el principio de convección libre. Una vez que el calor se transfiere al cuerpo del tanque, desde allí el calor se transfiere al aire circundante utilizando un método de convección forzada.
En la convección forzada, el aire es forzado a pasar sobre el cuerpo del tanque y las aletas de refrigeración del transformador a gran velocidad, eliminando así rápidamente el calor del cuerpo del tanque. Se utiliza un ventilador de refrigeración del transformador para forzar el aire sobre el cuerpo del tanque y las aletas. En esta convección forzada, cuanto mayor sea la velocidad del aire que pasa sobre el cuerpo y las aletas de refrigeración del transformador, mayor será el calor eliminado y el efecto de refrigeración producido.
Este tipo de métodos de refrigeración de transformadores forzados por aire natural se utiliza para transformadores de capacidad y producción de calor bajas o moderadas. El calor producido en estos transformadores es siempre lo suficientemente alto como para causar un incendio o explosión en el devanado del transformador si no se elimina adecuada y rápidamente.
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3.3. Aceite Forzado Aire Forzado (OFAF)
El tercer tipo en nuestros sistemas de refrigeración de transformadores de tipo aceite es la refrigeración de transformadores de tipo aceite forzado por aire forzado. En este sistema se utilizan dos mecanismos mecánicos diferentes para forzar el aceite líquido y el aire para eliminar el calor del devanado del transformador a través del principio de convección forzada.
En primer lugar, el calor producido en el devanado del transformador es eliminado del devanado por el aceite a través del modo de convección forzada. El aceite de refrigeración del transformador en el tanque del transformador es forzado a moverse en movimiento circular o en una trayectoria confinada por una bomba de aceite de alta resistencia. El aceite en movimiento, al pasar por el bobinado del transformador, absorbe el calor y, según el principio de convección forzada, cuanto mayor sea la velocidad del aceite, mayor será el calor eliminado.
El aceite, después de absorber el calor del devanado del transformador, lo transfiere al cuerpo del tanque utilizando el mismo principio de convección forzada. El cuerpo del tanque del transformador está diseñado específicamente con aletas para facilitar la transferencia de calor hacia y desde el cuerpo del tanque.
Una vez transferido el calor al tanque del transformador, se vuelve a transferir al entorno mediante el modo de convección forzada. Se utiliza un ventilador de refrigeración del transformador para forzar el paso del aire sobre el cuerpo y las aletas de refrigeración del depósito del transformador, eliminando así todo el calor. Aquí se aplica el mismo principio de que cuanto mayor sea el flujo de aire, mayor será el calor eliminado.
Debido a la presencia del doble mecanismo de refrigeración para un solo transformador, el calor eliminado en estos métodos es mayor que en los dos anteriores transformadores de tipo aceite. Este método se utiliza en todos los tipos de transformadores de servicio pesado donde el calor producido es siempre lo suficientemente alto como para causar graves incendios y explosiones si todo el transformador no se enfría adecuadamente.
3.4. Aceite Forzado Agua Forzada (OFWF)
El cuarto y más avanzado tipo de sistema de refrigeración de transformadores de tipo aceite es la combinación de métodos de refrigeración de transformadores forzados por aceite y forzados por agua. En este método, la refrigeración por aceite se combina con el mecanismo de refrigeración por agua en lugar de la refrigeración por aire. Este método, al igual que los anteriores, utiliza el principio de convección forzada para transferir el calor del devanado a la atmósfera exterior.
Al principio, el calor generado en el devanado del transformador es absorbido por el aceite a través del principio de convección forzada. Una gran bomba de aceite fuerza el movimiento del aceite dentro del depósito del transformador. Cuanto más rápido se mueva el aceite, más rápido absorberá el calor del devanado del transformador.
Después de absorber el calor del devanado, el aceite se ve obligado a pasar por un intercambiador de calor independiente especialmente diseñado. En ese intercambiador de calor, el agua se utiliza como fluido de transferencia de calor y absorbe todo el calor del aceite a través del proceso de convección forzada.
El intercambiador de calor suele ser del tipo de carcasa y tubos, en el que el aceite caliente se desplaza por los tubos del intercambiador y el agua presente en la carcasa rodea los tubos que transportan el aceite. El calor se transfiere del aceite a los tubos, del agua a la carcasa y a la atmósfera exterior mediante el proceso de convección forzada.
Este tipo de sistema de refrigeración se utiliza en transformadores especialmente diseñados para aplicaciones específicas en las que el rendimiento y la fiabilidad del sistema son la máxima prioridad. Este método ofrece una mayor eficacia y rendimiento en la refrigeración de transformadores, pero tiene un alto coste de mantenimiento y funcionamiento. Los intercambiadores de calor necesitan una inspección periódica y un mantenimiento continuo para un rendimiento óptimo.
Factores que afectan a la selección de métodos de refrigeración
Cada transformador es diferente y también lo es su ámbito de aplicación. Hay tres factores principales que afectan a la selección de métodos de refrigeración para cualquier transformador.
Tipo y capacidad del transformador
El método de refrigeración de su transformador depende en gran medida del tipo y la capacidad del transformador. Si tiene un transformador de tipo seco o necesita un transformador de tipo aceite y qué capacidad de regulación de potencia necesita de su transformador. Cuanto mayor sea la regulación de potencia que necesite del transformador, mayor será su tamaño, mayor será su capacidad y mayor será el calor producido en el devanado del transformador. Para eliminar más calor, el transformador necesita un sistema de refrigeración adecuado.
Leer más: ¿En qué se diferencia un transformador sumergido en aceite de uno seco?
Condiciones ambientales
El segundo factor importante son las condiciones ambientales en las que está instalado el transformador. Si un transformador está instalado en un entorno frío donde la temperatura suele permanecer muy baja durante todo el año, entonces ese transformador no necesita un gran sistema de refrigeración eficiente. Por el contrario, si un transformador pequeño se instala en una región donde la temperatura se mantiene alta durante todo el año. Entonces ese transformador necesitará un sistema de refrigeración adecuado para evitar incendios o explosiones.
Limitaciones presupuestarias
La instalación de un sistema de refrigeración específico para un transformador concreto añade costes al transformador. Así que depende mucho de sus limitaciones presupuestarias para cualquier proyecto o valor de mercado de cualquier transformador específico que el sistema de refrigeración del transformador se instalará en.
Conclusión
Una refrigeración eficaz del transformador es crucial para lograr un alto rendimiento y fiabilidad en el funcionamiento del transformador. Dependiendo del calor producido por el devanado del transformador, se utiliza un sistema refrigerado por aire o por aceite. Ambos sistemas pueden utilizarse en modo de convección libre o convección forzada, todo ello en función de los requisitos del transformador. La selección de un sistema específico de refrigeración de transformadores depende del tamaño del transformador, su capacidad, las condiciones ambientales y las limitaciones presupuestarias. Si se afrontan los retos y se adoptan soluciones avanzadas, la fiabilidad y la eficiencia de los transformadores pueden mejorar significativamente.
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