Clases de refrigeración de transformadores explicadas: clasificaciones ONAN, ONAF y OFAF

Un contratista de centros de datos en Johor nos envió el año pasado un programa de cargas con un único número: 10 MVA, continuo. Su alimentación entrante transformador Sumergido en Aceite había llegado con una placa identificativa que indicaba ONAN 8 000 kVA / ONAF 10 000 kVA — las clases de refrigeración de transformadores que aparecen en toda cotización y que casi nadie lee — y él había dimensionado el cable de 11 kV, la instalación de conmutación y los ajustes de protección según la segunda cifra. Durante la puesta en servicio, los ventiladores se pusieron en marcha, la carga aumentó y la alarma de temperatura del aceite superior se activó a 96 °C en una tarde de 33 °C.

Nada estaba dañado. El equipo funcionaba exactamente como indicaba su hoja de características — pero bajo condiciones que nadie había especificado en la orden de compra. Esa brecha entre un código de refrigeración y una instalación real es donde comienzan la mayoría de las controversias sobre la capacidad de los transformadores.

Qué indica realmente el código de clases de refrigeración de transformadores

 

Clases de refrigeración de transformadores son un acrónimo de cuatro letras que describe dos cosas a la vez: el medio refrigerante en contacto con los devanados y el método mediante el cual se extrae el calor de dicho medio. La primera letra indica el medio interno (O para aceite mineral, K para un líquido no mineral con punto de inflamación superior a 300 °C, L para éster sintético con punto de inflamación superior a 300 °C); la segunda letra indica el método de circulación (N para natural, F para forzada, D para dirigida); y las dos últimas letras repiten la misma lógica para el medio externo: aire, agua o aire forzado.

Así, ONAN significa aceite natural, aire natural: el aceite circula por sifón térmico y el depósito y los radiadores disipan calor al aire estático, sin ventiladores ni bombas en ningún punto del sistema. ONaf pasa a ser ONAF cuando ventiladores impulsan aire sobre el banco de radiadores. OFAF incorpora bombas de aceite. ODAF dirige el flujo de aceite hacia los conductos de los devanados, lo cual es cómo las grandes unidades elevadoras de generadores mantienen los gradientes térmicos de los devanados bajo control.

Clase de refrigeración	Qué está en funcionamiento	Aumento típico de capacidad	Dónde se utiliza
ONAN	Nada: únicamente sifón térmico	Calificación base	Unidades de distribución, subestaciones rurales, unidades montadas sobre pedestal
ONAF (etapa 1)	Un banco de ventiladores	+25 % a +33 % por encima de ONAN	Subestaciones urbanas, plantas industriales con cargas pico
ONAF (etapa 2)	Segundo banco de ventiladores	un 15 % a 20 % adicional	Centros de datos, plantas siderúrgicas y cementeras
OFAF	Ventiladores más bombas de aceite	+40 % a +60 % por encima de ONAN	Transformadores de potencia de 40 MVA y superiores
ODAF	Flujo dirigido de aceite más ventiladores	El más alto para un bastidor determinado	Elevación de tensión para generadores, unidades convertidoras de HVDC

Esos porcentajes son los intervalos con los que trabaja nuestra oficina de diseño al elaborar una hoja de características. No constituyen una norma de ningún estándar: el área radiante, el volumen de aceite y la selección de ventiladores varían según cada fabricante, y el único valor que cuenta es el indicado en sus especificaciones técnicas garantizadas.

La segunda clasificación no representa capacidad adicional gratuita

 

Esta es la parte que la mayoría de los compradores pasan por alto. Un Transformador ONAF no tiene simplemente mayor capacidad que la misma unidad funcionando en modo ONAN. Tiene una capacidad que solo existe mientras se cumpla un conjunto de condiciones, y cualquiera de esas condiciones puede fallar de forma independiente del transformador.

El banco de ventiladores necesita energía auxiliar. En varios proyectos norteamericanos hemos observado que una compañía eléctrica rechaza la calificación ONAF en un estudio de interconexión porque el suministro de servicio de la subestación no cuenta con un esquema de transferencia: si los ventiladores se detienen, la unidad pasa silenciosamente a 8 MVA, mientras que la protección sigue ajustada para 10 MVA. El transformador no cambia. Sí cambia la calificación.

Los ventiladores también deben estar presentes. Un banco de enfriamiento de 10 MVA suele incluir dos a cuatro ventiladores axiales de aproximadamente 0,55 kW cada uno, con rodamientos de motor, contactores, termostatos y un circuito de control que activa las etapas según la temperatura del aceite en la parte superior. Cada uno de esos componentes requiere mantenimiento y tiene una vida útil limitada; un motor de ventilador atascado elimina una etapa de enfriamiento en pleno pico estival. Al cotizar una unidad, incluimos la filosofía de control por etapas de los ventiladores en el mismo documento que la impedancia, porque la calificación refleja el comportamiento del sistema de control, no solo el diseño del devanado.

Luego está la suposición ambiental. Los límites de aumento de temperatura se refieren a un ambiente definido durante un día y durante un año, no solo una tarde determinada. Una unidad garantizada con un aumento promedio de 65 K en los devanados lo está para una temperatura ambiente máxima especificada; y los 33 °C registrados un día en Johor no fueron el problema: el problema fue que nadie se preguntó qué ocurriría a 40 °C con los ventiladores funcionando únicamente en la etapa uno. Este es el error más común que observamos en clases de refrigeración de transformadores las especificaciones: las cuatro letras se copian directamente de una hoja de datos sin incluir la base ambiental que las hace válidas.

Aumento de temperatura: el número detrás del código

 

Las letras indican cómo se disipa el calor desde la unidad. El aumento de la temperatura indica cuánto calor puede soportar el aislamiento. En unidades sumergidas en líquido, los dos límites relevantes son el aumento promedio de temperatura en los devanados y el aumento en el punto más caliente, y están establecidos en la norma IEEE C57.12.00, cuyo resumen puede consultarse en la Página de la IEEE Standards Association correspondiente a C57.12.00-2021 . Para un diseño de elevación media del devanado de 65 K —aún la especificación más común en Asia y Oriente Medio— la tolerancia correspondiente para el punto más caliente es de 80 K, lo que equivale aproximadamente a 110 °C en el ambiente de referencia.

Esa cifra de 110 °C es donde se determina la vida útil del aislamiento. El papel envejecido a 110 °C pierde resistencia a la tracción a una velocidad que reduce a la mitad su vida útil restante por cada incremento de 6 a 8 K por encima de ese valor; por eso, una unidad que funcione 8 K por encima de su temperatura de diseño no envejece simplemente un 8 % más rápido. Envejece varias veces más rápido, y nada en el informe habitual de ensayos lo advertirá hasta que, años después, los valores de furano comiencen a aumentar.

 

 

Esto también explica por qué la prueba de calentamiento importa más que el certificado. Un ensayo de elevación de temperatura según IEEE C57.12.90 mide los gradientes reales de temperatura del aceite superior y del devanado bajo carga nominal; es la única evidencia de que el área del radiador, el volumen de aceite y la selección de ventiladores indicados en los planos efectivamente coinciden con los valores indicados en la placa de características. En un Transformador ONAF la prueba de calentamiento es doblemente importante, porque cada etapa de ventilador constituye un punto de operación independiente que debe verificarse, no inferirse.

Ventiladores, bombas y la factura de mantenimiento

 

Las etapas de refrigeración son baratas de especificar, pero caras de mantener. Cada pieza móvil añadida a un transformador se convierte en una inspección programada, una pieza de repuesto almacenada por alguien y un modo de fallo que se manifiesta como una reducción no planificada de potencia, en lugar de una desconexión limpia.

Nuestra experiencia con Transformador ONAF flotas muestra que la lista clasificada de fallos es corta y predecible: primero se secan los rodamientos de los motores de los ventiladores, luego las bobinas de los contactores y, por último, el termostato que activa el segundo banco. Las bombas en unidades OFAF añaden sellos de eje y un enclavamiento de presión diferencial que provocará disparos espurios si el nivel de aceite desciende. Nada de esto es exótico, y todo ello puede evitarse en la fase de especificación.

Un punto que debe incluirse en la especificación es el comportamiento de la unidad ante una falla en la etapa de refrigeración. Si falla la segunda etapa y la carga no se desconecta, el devanado absorbe la diferencia. Un disparo por temperatura excesiva del devanado constituye un resultado seguro; sin embargo, un devanado que funcione silenciosamente a 120 °C durante toda una temporada no lo es.

Temperatura ambiente, altitud y carcasa: donde las potencias nominales se reducen discretamente

 

Dos factores de reducción afectan a más proyectos que cualquier otro: la temperatura ambiente del emplazamiento y la altitud. Nuestras hojas de diseño aplican aproximadamente una reducción de capacidad del 1,0 % al 1,2 % por cada grado Celsius por encima de la temperatura ambiente nominal, lo que significa que, en un emplazamiento desértico a 50 °C, una unidad clasificada para 40 °C pierde una fracción significativa de su potencia nominal antes incluso de conectar ninguna carga. Por encima de los 1000 m, la menor densidad del aire provoca el mismo efecto sobre la disipación térmica por convección forzada, y dicha corrección debe figurar en el cálculo de la placa de características, no como una nota al pie.

La envoltura es el tercer factor. Una unidad montada sobre pedestal ubicada en una envoltura resistente a manipulaciones según la norma IEEE C57.12.28 no respira el mismo aire que un transformador de subestación abierto, y una unidad instalada contra una pared o dentro de un recinto vallado con flujo de aire restringido operará a mayor temperatura de lo predicho en su banco de ensayos. Si además se suma la ganancia térmica solar sobre una envoltura oscura en la región del Golfo, la diferencia deja de ser meramente académica.

El ruido sigue la misma lógica, pero en sentido inverso. Los ventiladores añaden aproximadamente 5 a 8 dB(A), por lo que una unidad especificada a 58 dB(A) en modo ONAN se convierte en una máquina de 64 dB(A) durante la noche, cuando opera la segunda etapa. Si el emplazamiento tiene un convenio acústico, el valor ONAF es el que escucharán los vecinos.

Qué incluir en la hoja de datos

 

Cuando nuestros ingenieros revisan una especificación para una fábrica china de transformadores sumergidos en aceite lista corta, los documentos que se cierran más rápidamente son aquellos que responden por escrito a estos puntos:

• Clase de refrigeración y número de etapas , indicadas como una secuencia (ONAN / ONAF1 / ONAF2), no como una única etiqueta.

• Capacidad en cada etapa , junto con la temperatura ambiente asumida para cada valor.

• Corrección por altitud y ambiente , aplicada y mostrada, sin dejar que la fábrica la determine.

• Filosofía de control del ventilador : temperaturas de activación, retrasos entre etapas y comportamiento ante fallo de una etapa.

• Alimentación auxiliar : voltaje, fase y si está respaldado por la corriente continua (CC) de la estación o por un esquema de transferencia.

• Nivel de ruido en cada etapa , en dB(A) a la distancia de medición especificada.

• Valores de pérdidas a la temperatura de referencia, que para las unidades de distribución estadounidenses también debe cumplir las tablas de eficiencia de 10 CFR Parte 431 Subparte K , la norma del Departamento de Energía de EE. UU. sobre transformadores de distribución que establece la eficiencia mínima que debe alcanzar una unidad conforme.

Una especificación que responde a los siete criterios de ajuste en dos páginas y evita la discusión durante la puesta en servicio sobre qué placa de características era correcta.

Cómo lo calificamos y ensayamos, y qué recomendamos

 

Los compradores que auditan un fábrica china de transformadores sumergidos en aceite suelen comenzar con el grado del conductor del devanado y terminar con el sistema de refrigeración, lo cual es el orden equivocado. La etapa de refrigeración es donde realmente reside la afirmación de capacidad. Nuestra planta de Jiangsu realiza la prueba térmica en cada unidad personalizada de tipo líquido-sumergido, y la hoja de calificación que se envía junto con el transformador incluye los gradientes medidos de temperatura del aceite superior y de los devanados, no solo los valores garantizados. Esto resulta fundamental cuando un consultor debe justificar un estudio de sobrecarga o una solicitud de interconexión: los valores cuentan con un ensayo que los respalda.

Fabricamos tanto transformador Sumergido en Aceite instalaciones para rangos y unidades de tipo seco en un sitio de 120 000 m², con 37 patentes en su cartera; desde 2023 operamos como socio conjunto de Eaton —un acuerdo que se refleja principalmente en la disciplina documental, no en el lenguaje comercial. Los expedientes UL, CSA e IEC, los planos y los datos térmicos se entregan como un solo paquete.

Una nota práctica: solicite la secuencia de etapas de refrigeración en el informe de ensayo, no solo la placa de características; el técnico que energiza la unidad lee el informe, no la placa.

La unidad de Johor finalmente funcionó bien. Reconfiguramos los ventiladores para activar el segundo banco 6 K antes, y el propietario trasladó 1,2 MVA de carga no crítica a un segundo transformador —una solución más económica que su sustitución, y posible únicamente porque la hoja de potencia nos indicó lo que la unidad podía hacer realmente.

Clases de refrigeración de transformadores son la decisión de capacidad más económica de todo el paquete y la más fácil de equivocarse, porque la segunda calificación siempre parece margen adicional gratuito hasta que la temperatura ambiente, la fuente de alimentación auxiliar y un rodamiento del ventilador no están de acuerdo con usted. Si actualmente está especificando una unidad sumergida en líquido, envíenos el perfil de carga, la temperatura ambiente del emplazamiento y la altitud mediante ryan-transformers.com —nuestros ingenieros le responderán con una calificación etapa por etapa y los datos de ensayo que la respaldan.

Acerca del autor: Escrito por el equipo de ingeniería de Ryan Electric, fabricante certificado UL/CSA de transformadores en Jiangsu, China, y socio conjunto de Eaton desde 2023, que suministra transformadores sumergidos en aceite, de tipo seco y montados sobre pedestal para proyectos de centros de datos, servicios públicos e industriales en Norteamérica, Asia Sudoriental y Oriente Medio.