Es sabido que la ventilación forzada puede ayudar a aumentar la capacidad de un transformador seco encapsulado en resina. Pero cuánto puede sobrecargarse un transformador y durante cuánto tiempo, en qué condiciones se recomienda la ventilación forzada y cuál debe ser su ajuste óptimo. Son preguntas que frecuentemente debemos tener en cuenta a la hora de diseñar un equipo en base a su ciclo y condiciones de uso.
Sistema de control de temperatura en la base de un transformador. Foto cortesía de Transmagneca C.A.
La temperatura es el factor más determinante en la vida útil de un equipo.
Los transformadores son equipos robustos y deben serlo, ya que son parte fundamental del suministro básico de energía. Pero, lo que finalmente causa daños en los elementos aislantes del transformador es el efecto de la temperatura. Las reacciones químicas aumentan al doble de la velocidad por cada 10 grados Centígrados de aumento en la temperatura. Por eso es predecible una disminución de la vida útil del equipo a la mitad por cada diez grados de sobre temperatura de operación. Según la siguiente gráfica vemos que la vida útil media de un transformadores es de aproximadamente 30 años. Sin embargo, podemos observar como este período disminuye drásticamente si no se controla la temperatura de operación.
Gráfica de vida útil de un Transformador Seco encapsulado Vs. Temperatura
De dónde viene el calor del transformador?
Todos los equipos reales tienen pérdidas inherentes a su funcionamiento. En el caso de los transformadores las pérdidas se presentan principalmente por dos factores: Las pérdidas en el hierro o pérdidas en vacío y las pérdidas por el denominado efecto Joule o pérdidas debido a la carga. En total estas pérdidas se estiman entre 0,8 y 1% de la potencia nominal. Las pérdidas en el hierro sólo son relevantes en términos del costo de uso del equipo ya que siempre van a estar presentes mientras el equipo se encuentre energizado. Pero no contribuyen de manera significativa para el incremento de la temperatura del equipo. Las pérdidas bajo carga son las más importantes ya que contribuyen de manera determinante al incremento en la temperatura de los arrollados. Y es este calor el que se debe disipar, ya que de no hacerlo, la temperatura puede exceder el punto máximo permitido dañando el aislamiento entre los conductores.
P: Pérdidas totales
PFe: Perdidas en el hierro
Pcc: Pérdidas en los conductores
El punto más caliente
El punto más caliente del transformador se ubica entre el arrollado de BT, generalmente en el punto intermedio del mismo. Es por eso que se prevén ductos especiales ubicados en el espacio medio del arrollado para ubicar las sondas. Allí se estima que se refleja el mayor incremento en la temperatura que debe registrar las sondas.
Imágenes IR de un transformador Seco Cargado. Foto Cortesia Transmagneca C.A.
Cuánto y cómo sobrecargar
Las sobrecargas de corta duración (De menos de una constante de tiempo y no mayores de 50% de la Potencia Nominal) pueden ser soportadas por el transformador sin que este efecto de aumento de la temperatura se traduzca en deterioro considerable del equipo. Sin embargo, si la sobrecarga tiene una duración mayor a 2 o 3 horas dependiendo del tamaño y la potencia del equipo ya debe considerarse la ventilación forzada. El efecto de la utilización de la ventilación se puede mostrar en la siguiente gráfica, donde se observa que una vez alcanzada la temperatura máxima de operación (Alrededor de 120 grados) en el punto donde se coloca la sonda, el ventilador se debe activar reduciendo la temperatura del bobinado por debajo de esta temperatura, llegando al punto de desconexión del ventilador (alrededor de 80 C) Este ciclo se repite hasta que el período de sobrecarga concluya y no se active el control. En algunas casos la sobrecarga del equipo puede llegar hasta el 40%, Sin embargo, cálculos más conservadores estiman que no debe ser más de un 30%.
Gráficas de temperatura en el transformador con sobrecarga puntual y prolongada. Cortesía de Schneider-Electric.
Puntos a considerar
Para un diseño de desempeño óptimo y sin riesgos del equipo ante la sobrecarga se deben considerar los siguientes puntos:
a) Las secciones transversales de los conductos de los cables o las barras colectoras. Deberá tenerse en cuenta el nivel de sobrecarga máximo para evitar sobrecalentamiento.
b) La clasificación del disyuntor de protección del transformador. Si el nivel de sobrecarga sobrepasa el nivel de operación del disyuntor, este se activará, ocasionando posiblemente interrupciones del servicio no deseadas.
c) El tamaño de las aberturas de entrada y salida de aire en el alojamiento del transformador para su ventilación. Deberá tenerse en cuenta que aunque los equipos de control de temperatura sacarán el calor producido en las bobinas, pero este debe ser igualmente disipado en el ambiente. Por ello debe tenerse en cuenta el espacio en donde se debe colocar el equipo.
d) La vida útil de los ventiladores, que es mucho menor que la del transformador (3,5 años frente a 30 años). Este factor debe ser tomado muy en cuenta debido a que los equipos de control de temperatura no están diseñados para funcionar constantemente, debido a que la vida útil de los ventiladores es mucho menor que la del transformador y por tanto no deben estar funcionando ininterrumpidamente.
Calibración de control temperatura. Foto Cortesía Transmagneca C.A.
Cómo funciona el sistema de control de temperatura?
Los ventiladores se ubican en la parte inferior de las bobinas en un lugar previsto para que el flujo transversal corra de manera eficiente a través de los ductos del bobinado previstos para tal efecto.
Distintos tipos de montaje de las barras de Ventilación
Los Ventiladores Diel están diseñados para proporcionar un flujo constante y preciso que garantice un rendimiento óptimo del Transformador.
Ventiladores DIEL
Además las centrales Diel tienen puertos RS485 para comunicación y RTU salidas analógicas para alarmas y disparo de protecciones. Son la solución económica y segura en para el control de temperatura en transformadores
Centralita AT 200 DIEL con monitoreo constante de tres canales
Referencias
http://imseingenieria.blogspot.com/2015/07/ventilacion-de-centros-de-transformacion.html
https://www.schneider-electric.com.mx/es/faqs/FA280772/
https://repositorio.unican.es/xmlui/bitstream/handle/10902/9211/387076.pdf?sequence=1
http://prolecge.com/como-especificar-mi-transformador/
http://www.inducor.com.ar/academicos/calculo-de-maquinas-electricas/maquinas-electricas-capitulo9.html
https://www.se.com/eg/en/faqs/FA335959/
https://www.schneider-electric.com.co/es/faqs/FA329851/