Funciones del aceite aislante en transformadores
El aceite aislante en un
transformador tiene las siguientes funciones:
- Actúa como aislante eléctrico
- Actúa como refrigerante
Durante la operación de
transformadores, las pérdidas de energía se manifiestan en forma de calor. Los
devanados y el núcleo del transformador son las principales fuentes de calor,
así como también las estructuras metálicas.
Las fuentes de calor están
localizadas por orden de importancia en:
a) Los
devanados, debido a las pérdidas RI2 y por corrientes
parásitas en el cobre.
Donde:
Wcu, Pérdidas totales en el cobre
(W)
RI2, Pérdidas totales
en el devanado en forma de calor (W)
Wi, Pérdidas parásitas en el
cobre (W)
b) El
núcleo, debido a las pérdidas de excitación.
Wfe= Wh + We
Siendo:
Wfe, Pérdidas totales en el
núcleo (W)
Wh, Pérdidas de histéresis (W)
We, Pérdidas por corrientes
parásitas en núcleo (W
c) Los
herrajes y el tanque, debido a las corrientes parásitas inducidas por el campo
magnético disperso.
Wp= f (ⲫ,1)
Donde:
Wp, Pérdidas por
corrientes parásitas en herrajes y tanque (W)
Estas pérdidas no se
miden en forma directa e independiente, y durante las pruebas de pérdidas con
carga e impedancia, se consideran parte de las pérdidas indeterminadas. Para
evitar la degradación de los devanados debido al calor generado, se adicionan al
transformador uno o dos de los diferentes sistemas de enfriamiento que existen.
En la práctica, los métodos para disipar el calor dependen del tamaño del
equipo y de la cantidad de calor que necesita ser disipada.
La magnitud y la
localización de las fuentes de calor por fallas en el diseño o manufactura,
modifican la distribución de las temperaturas internas normales, originando
puntos calientes que deterioraran los aislamientos.
1. 1. Influencia
de la temperatura ambiente
La temperatura ambiente
es un factor importante para determinar la capacidad de carga de un
transformador. Las elevaciones de temperatura debidas a la carga, se suman a la
temperatura ambiente para determinar la temperatura de operación. La
temperatura promedio del transformador se determina en un periodo de 24 horas,
a una temperatura ambiente promedio de 30ºC.
1. 2. Transferencia
de calor en un transformador
Las formas de
transferencia de calor de un transformador por orden de importancia son:
• Convección
• Radiación
• Conducción
Convección
La transferencia de
calor por convección es posible de dos maneras:
Convección natural
Termofusión es el
fenómeno de circulación natural que presentan los fluidos, debido a la
diferencia de densidades que se origina al calentarse. En el flujo por
convección natural, las fuerzas debidas a las diferentes densidades de los
líquidos son muy pequeñas.
La columna del aceite
comienza en la parte inferior de la bobina y se extiende al extremo superior
del aceite, donde permanece a su máximo valor. De manera similar, la columna
del aceite frío comienza en la parte superior de los radiadores y se expande
hacia el fondo del tanque a través de ellos. En la Figura 1. se observa la
transmisión natural del aceite aislante en un transformador.
Figura 1. Enfriamiento
de un transformador por convección natural del aceite aislante.
El flujo de líquido aislante a
través de los devanados del transformador por convección natural, se conoce
como “flujo no dirigido”. En los casos donde se utilizan bombas o ventiladores,
y radiadores, el líquido aislante se envía a los devanados y se llama “flujo
dirigido”. En este flujo existe un cierto grado de control del líquido aislante
a través de los devanados.
Figura 1.2 Familia de
curvas por convección del aceite en el ducto de una bobina.
Convección forzada
Con la finalidad de incrementar
la eficiencia de transmisión del calor, se utilizan bombas para dirigir al
aceite a velocidades elevadas, sobre las superficies de los devanados.
En la figura 1.2 se observa el
fenómeno de convección forzada a diferentes velocidades de flujo en el ducto de
un devanado.
El coeficiente de transferencia
de calor del aceite aislante, se determina por sus propiedades físicas tales
como: densidad relativa, calor específico, conductividad térmica y viscosidad.
La densidad relativa del aceite
disminuye al aumentar la temperatura, tal propiedad se aprovecha para el
enfriamiento por convección y radiación del transformador.
El calor específico y la
conductividad térmica del aceite aislante, dependen de la temperatura y están
relacionados con la densidad del aceite, como se observa en las figuras 1.3 y
1.4.
La conductividad térmica del
papel aislante, impregnado con aceite aislante es de alrededor de 1/3 a 1/4 de
la conductividad térmica del aceite y 0.05% de la conductividad térmica del
cobre, referidos a la misma temperatura.
Al calentar el aceite aislante
disminuye su viscosidad, lo cual permite que fluya fácilmente y aumente la
transmisión del calor. La temperatura entre la superficie de una bobina, el
aceite y la superficie del tanque disminuye, a medida que el aceite fluye más
rápidamente y disminuye la diferencia de temperaturas, entre la parte superior
e inferior del tanque. Sin embargo, debido a la baja viscosidad del aceite, sus
variaciones con la temperatura son pequeñas y prácticamente despreciables. En
la figura 1.5 se observa la variación del coeficiente de transferencia de
calor, en función de la viscosidad del aceite aislante.
Figura 1.3 Conductividad térmica del
aceite aislante con diferentes densidades relativas en función de la
temperatura.
Figura 1.4 Calor
específico del aceite aislante con diferentes densidades relativas, en función
de la temperatura.
Radiación
Consiste en la emisión o absorción de
ondas electromagnéticas que se desplazan a la velocidad de la luz. Todos los
cuerpos continuamente irradian energía en forma de ondas electromagnéticas. La
rapidez con que un cuerpo emite esta radiación térmica aumenta rápidamente con
la temperatura, y es aproximadamente proporcional a T4, donde
T es la temperatura en grados Kelvin del cuerpo. En temperaturas
elevadas, la radiación es frecuentemente el principal mecanismo de pérdidas de
calor.
Figura 1.5 Coeficiente
de transferencia de calor en radiadores, como una función de la velocidad del
flujo y la viscosidad del aceite aislante.
Conducción
La conducción es un proceso por
el cual se transmite el calor, debido a una actividad molecular en una
sustancia y su capacidad para conducir el calor, se mide por la conductividad
térmica.
Esta forma de transferencia de
calor es un proceso lento y se presenta en algunas componentes del
transformador. Por ejemplo, el flujo de calor del papel al aceite aislante es
por convección natural o forzada; la transferencia de calor a través del metal
de los radiadores es por conducción; y parte del calor que transfieren las
partes metálicas externas del transformador hacia la atmósfera es por
radiación.
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