Classes de Refrigeração de Transformadores Explicadas: Classificações ONAN, ONAF e OFAF

Um empreiteiro de centro de dados em Johor enviou-nos, no ano passado, um cronograma de carga com um único número: 10 MVA, contínuo. Sua entrada transformador Imerso em Óleo chegara com uma placa indicativa de ONAN 8.000 kVA / ONAF 10.000 kVA — as classes de refrigeração de transformadores que toda cotação lista e quase ninguém lê — e ele dimensionara o cabo de 11 kV, os equipamentos de chaveamento e os ajustes de proteção com base no segundo valor. Na fase de comissionamento, os ventiladores entraram em operação, a carga aumentou e o alarme de temperatura do óleo superior disparou a 96 °C numa tarde de 33 °C.

Nada estava danificado. A unidade funcionava exatamente conforme previsto em sua folha de especificações — mas sob condições que ninguém havia incluído na ordem de compra. Essa lacuna entre um código de refrigeração e uma instalação real é onde começam a maioria das disputas sobre capacidade de transformadores.

O Que o Código de Classes de Refrigeração de Transformadores Realmente Informa

 

Classes de refrigeração de transformadores são uma abreviatura de quatro letras que descreve duas coisas simultaneamente: o meio refrigerante em contato com os enrolamentos e o método usado para remover o calor desse meio. A primeira letra indica o meio interno (O para óleo mineral, K para um líquido não mineral com ponto de fulgor acima de 300 °C, L para éster sintético com ponto de fulgor acima de 300 °C), a segunda indica o método de circulação (N para natural, F para forçado, D para direcionado) e as duas últimas letras repetem a mesma lógica para o meio externo — ar, água ou ar forçado.

Assim, ONAN significa óleo natural, ar natural: o óleo circula por sifão térmico e o tanque e os radiadores dissipam calor para o ar parado, sem ventiladores nem bombas em qualquer parte do sistema. ONaf torna-se ONAF quando ventiladores sopram ar sobre o conjunto de radiadores. OFAF acrescenta bombas de óleo. ODAF direciona o fluxo de óleo para os canais dos enrolamentos, sendo esse o modo como grandes transformadores elevadores de geradores mantêm os gradientes térmicos nos enrolamentos sob controle.

Classe de Arrefecimento	O que está em operação	Ganho típico de capacidade	Onde é Usada
ONAN	Nada — apenas sifão térmico	Classificação Base	Unidades de distribuição, subestações rurais, unidades montadas em plataforma
ONAF (estágio 1)	Um banco de ventiladores	+25% a +33% acima do ONAN	Subestações urbanas, instalações industriais com cargas de pico
ONAF (estágio 2)	Segundo banco de ventiladores	mais +15% a +20%	Centros de dados, fábricas de aço e cimento
OFAF	Ventiladores mais bombas de óleo	+40% a +60% acima de ONAN	Transformadores de potência de 40 MVA e superiores
ODAF	Fluxo direcionado de óleo mais ventiladores	Máxima para um dado invólucro	Elevação de tensão para geradores, unidades conversoras HVDC

Esses percentuais são as faixas com as quais nosso escritório de projeto trabalha ao elaborar uma folha de classificação. Eles não constituem uma regra de qualquer norma — a área do radiador, o volume de óleo e a seleção de ventiladores variam de fabricante para fabricante, e o único valor que importa é aquele constante em suas especificações técnicas garantidas.

A Segunda Classificação Não Representa Capacidade Adicional Gratuita

 

Esta é a parte que a maioria dos compradores ignora. Um Transformador ONAF não possui simplesmente mais capacidade do que a mesma unidade operando em ONAN. Ele possui uma capacidade que existe apenas enquanto um conjunto de condições for verdadeiro, e cada uma dessas condições pode falhar independentemente do transformador.

O conjunto de ventiladores necessita de alimentação auxiliar. Em diversos projetos na América do Norte, observamos concessionárias recusarem a classificação ONAF em estudos de interconexão porque a alimentação de serviço da subestação não era respaldada por um esquema de transferência — se os ventiladores pararem, a unidade reverte silenciosamente para 8 MVA, enquanto a proteção ainda está ajustada para 10 MVA. O transformador não mudou. A classificação sim.

Os ventiladores também precisam estar presentes. Um conjunto de refrigeradores de 10 MVA normalmente comporta dois a quatro ventiladores axiais de aproximadamente 0,55 kW cada, com rolamentos de motor, contatos, termostatos e um circuito de controle que ativa estágios com base na temperatura do óleo na parte superior. Cada um desses componentes é um item de manutenção com vida útil limitada, e um motor de ventilador emperrado retira um estágio de refrigeração no auge do pico de verão. Ao cotarmos uma unidade, cotamos também a filosofia de controle dos estágios de ventiladores no mesmo documento que a impedância, pois a classificação é um comportamento do sistema de controle, não apenas um projeto de enrolamento.

Em seguida, há a suposição ambiental. Os limites de elevação de temperatura referem-se a um ambiente definido ao longo de um dia e ao longo de um ano, não apenas em uma única tarde. Uma unidade garantida com elevação média de 65 K no enrolamento é garantida para uma temperatura ambiente máxima especificada, e os 33 °C registrados em Johor não foram o problema — o problema foi que ninguém questionou o que ocorre a 40 °C com os ventiladores operando apenas no estágio um. Esse é o erro mais comum que observamos nas classes de refrigeração de transformadores especificações: as quatro letras são copiadas de uma folha de dados sem a base ambiental que as torna verdadeiras.

Elevação de Temperatura: o Número por Trás do Código

 

As letras indicam como o calor é dissipado da unidade. O aumento da temperatura indica a quantidade de calor à qual o isolamento pode ser exposto. Para unidades imersas em líquido, os dois limites relevantes são a elevação média no enrolamento e a elevação no ponto mais quente, estabelecidos na norma IEEE C57.12.00, cujo resumo pode ser consultado na Página da IEEE Standards Association para a norma C57.12.00-2021 . Para um projeto com elevação média de 65 K no enrolamento — ainda a especificação mais comum na Ásia e no Oriente Médio — a margem correspondente para o ponto mais quente é de 80 K, o que equivale aproximadamente a 110 °C na temperatura ambiente de referência.

Esse valor de 110 °C é o que determina a vida útil do isolamento. O papel envelhecido a 110 °C perde resistência à tração a uma taxa que reduz pela metade sua vida útil remanescente a cada aumento de 6 a 8 K acima desse ponto; por isso, uma unidade operando 8 K acima de sua temperatura projetada não envelhece simplesmente 8 % mais rápido. Ela envelhece várias vezes mais rápido, e nada no relatório de ensaio rotineiro o alertará até que os valores de furano comecem a subir anos depois.

 

 

É também por isso que o ensaio térmico é mais importante do que o certificado. Um ensaio de elevação de temperatura conforme a norma IEEE C57.12.90 mede os gradientes reais de óleo superior e de enrolamento sob carga nominal; trata-se da única evidência de que a área do radiador, o volume de óleo e a seleção dos ventiladores indicados no projeto realmente resultam na potência indicada na placa de identificação. Em um Transformador ONAF a corrida térmica é importante duas vezes, porque cada estágio de ventilador é um ponto operacional distinto que deve ser verificado, não inferido.

Ventiladores, Bombas e a Conta de Manutenção

 

Estágios de refrigeração são baratos de especificar, mas caros de manter. Cada peça móvel acrescentada a um transformador torna-se uma inspeção programada, uma peça de reposição armazenada em algum lugar e um modo de falha que se manifesta como uma redução de potência não planejada, em vez de uma interrupção limpa.

Nossa experiência com Transformador ONAF frotas a lista classificada de falhas é curta e previsível: primeiramente os rolamentos dos motores dos ventiladores ressecam, depois as bobinas dos contatos e, por fim, o termostato que aciona o segundo banco. As bombas em unidades OFAF acrescentam selos de eixo e um bloqueio por pressão diferencial que acionará falsos disparos caso o nível de óleo caia. Nada disso é exótico, e tudo pode ser evitado na fase de especificação.

Um ponto deve ser incluído na especificação: o que a unidade faz quando uma etapa de refrigeração falha. Se a segunda etapa falhar e a carga não for descarregada, o enrolamento absorve a diferença. Uma interrupção por temperatura excessiva do enrolamento é um resultado seguro; um enrolamento que opera silenciosamente a 120 °C durante uma estação não é.

Ambiente, altitude e invólucro: onde as classificações encolhem silenciosamente

 

Dois fatores de redução de capacidade surpreendem mais projetos do que qualquer outro: ambiente local e altitude. Nossas folhas de projeto aplicam aproximadamente uma redução de capacidade de 1,0% a 1,2% por grau Celsius acima do ambiente nominal, o que significa que um local desértico a 50 °C reduz significativamente a potência nominal de uma unidade classificada para 40 °C, mesmo antes de qualquer carga ser conectada. Acima de 1.000 m, a menor densidade do ar exerce o mesmo efeito na dissipação de calor por refrigeração a ar, e essa correção deve constar no cálculo da placa de classificação, não em uma nota de rodapé.

A carcaça é o terceiro fator. Uma unidade montada em pedestal, instalada numa carcaça resistente a vandalismo conforme a norma IEEE C57.12.28, não respira o mesmo ar que um transformador de subestação aberto; além disso, uma unidade instalada contra uma parede ou no interior de um recinto cercado, com fluxo de ar restrito, operará a uma temperatura mais elevada do que a prevista no seu banco de ensaios. Acrescente o ganho térmico solar numa carcaça escura no Golfo do México e a diferença deixará de ser meramente teórica.

O ruído segue a mesma lógica, mas em sentido inverso. Os ventiladores acrescentam aproximadamente 5 a 8 dB(A); assim, uma unidade especificada para 58 dB(A) em regime ONAN torna-se uma máquina de 64 dB(A) durante a noite, com o segundo estágio em funcionamento. Se o local tiver um compromisso acústico, o valor em regime ONAF será aquele que os vizinhos efetivamente ouvirão.

O que incluir na folha de dados

 

Quando os nossos engenheiros analisam uma especificação para uma fábrica Chinesa de Transformadores Imersos em Óleo lista pré-selecionada, os documentos que são aprovados mais rapidamente são aqueles que respondem por escrito a estes pontos:

• Classe de refrigeração e número de estágios , indicados como uma sequência (ONAN / ONAF1 / ONAF2), e não como uma única designação.

• Capacidade em cada estágio , com a temperatura ambiente assumida para cada valor.

• Correção de altitude e ambiente , aplicada e indicada, sem deixar para a fábrica descobrir.

• Filosofia de controle do ventilador : temperaturas de acionamento, atrasos por estágio e comportamento em caso de falha de estágio.

• Alimentação Auxiliar : tensão, fase e se é alimentado pela corrente contínua da estação ou por um esquema de transferência.

• Nível de ruído em cada estágio , em dB(A) à distância de medição especificada.

• Valores de perda à temperatura de referência, que, para unidades de distribuição norte-americanas, também deve satisfazer as tabelas de eficiência constantes de 10 CFR Parte 431 Subparte K , a regra do transformador de distribuição do Departamento de Energia dos EUA que estabelece a eficiência mínima que uma unidade em conformidade deve atingir.

Uma especificação que responde a todos os sete critérios em duas páginas e evita a discussão durante a comissionamento sobre qual placa de identificação estava correta.

Como Avaliamos e Testamos, e o Que Recomendamos

 

Compradores que auditam um fábrica Chinesa de Transformadores Imersos em Óleo geralmente começam com o grau do condutor do enrolamento e terminam com o sistema de refrigeração, o que é a ordem errada. A etapa de refrigeração é onde, na verdade, reside a afirmação de capacidade. Nossa fábrica em Jiangsu realiza o ensaio térmico em todas as unidades líquido-imersas personalizadas, e a folha de classificação que acompanha o transformador contém os gradientes medidos de óleo superior e de enrolamento, e não apenas os valores garantidos. Isso é importante quando um consultor precisa defender um estudo de sobrecarga ou um pedido de interconexão: os números têm um ensaio que os sustenta.

Nós fabricamos ambos transformador Imerso em Óleo faixas e unidades a seco em um local de 120.000 m² com 37 patentes na carteira, e desde 2023 operamos como parceiro de joint venture da Eaton — um arranjo que se reflete principalmente na disciplina documental, e não na linguagem de marketing. Os arquivos UL, CSA e IEC, desenhos e dados térmicos são entregues como um único pacote.

Uma observação prática: solicite a sequência de estágios de refrigeração no relatório de ensaio, não apenas a placa de identificação — o técnico que energiza a unidade lê o relatório, não a placa.

A unidade de Johor acabou funcionando bem. Reconfiguramos os ventiladores para acionar o segundo banco 6 K mais cedo, e o proprietário transferiu 1,2 MVA de carga não crítica para um segundo transformador — uma solução mais econômica do que uma substituição, e viável apenas porque a folha de classificação indicou exatamente o que a unidade era capaz de fazer.

Classes de refrigeração de transformadores são a decisão de capacidade mais econômica de todo o pacote e a mais fácil de ser equivocada, pois a segunda classificação sempre parece oferecer margem de sobrecarga gratuita até que a temperatura ambiente, a alimentação auxiliar e os rolamentos do ventilador discordem de você. Se você estiver especificando atualmente uma unidade imersa em líquido, envie-nos o perfil de carga, a temperatura ambiente do local e a altitude por meio de ryan-transformers.com — nossos engenheiros retornarão com uma classificação etapa por etapa e os dados de teste que a sustentam.

Sobre o Autor: Escrito pela equipe de engenharia da Ryan Electric, fabricante certificada UL/CSA de transformadores na província de Jiangsu, na China, e parceira conjunta da Eaton desde 2023, fornecendo transformadores imersos em óleo, a seco e montados em pedestal para centros de dados, projetos de concessionárias e industriais nas Américas do Norte, Sudeste Asiático e Oriente Médio.