Los transformadores son la columna vertebral de los sistemas eléctricos modernos. Permiten la transmisión eficiente de energía eléctrica a larga distancia elevando los voltajes para la transmisión y reduciéndolos para la distribución y utilización. Sin transformadores confiables, la estabilidad de la red, el suministro eficiente de energía y la regulación del voltaje en las redes de generación, transmisión y distribución serían imposibles. Entre los tipos de transformadores, el transformador sumergido en aceite sigue siendo la solución más utilizada para aplicaciones de media y alta tensión debido a su probada confiabilidad, alta capacidad térmica y opciones de diseño flexibles. Este artículo examina la definición básica y la estructura de los transformadores sumergidos en aceite , explica sus principios de enfriamiento y aislamiento, los compara con las alternativas de tipo seco y explora escenarios de aplicación típicos.
¿Qué es un transformador sumergido en aceite?
Un transformador sumergido en aceite es un transformador eléctrico cuyos devanados y núcleo están sumergidos en una solución de aceite mineral aislante (o fluidos aislantes alternativos). El aceite cumple dos funciones esenciales: aislamiento eléctrico y transferencia de calor. Al rodear los devanados conductores y el núcleo magnético, el aceite aumenta la rigidez dieléctrica entre los componentes y disipa el calor generado durante el funcionamiento por convección y conducción hacia la cuba del transformador y las superficies de refrigeración externas. Las unidades típicas sumergidas en aceite abarcan desde pequeños transformadores de distribución hasta grandes transformadores de potencia de cientos de MVA para subestaciones de red.
Componentes estructurales principales
Los transformadores sumergidos en aceite son conjuntos de ingeniería de varios componentes interdependientes. Las partes principales incluyen:
Núcleo magnético (núcleo de hierro)
El núcleo proporciona la ruta magnética de baja reluctancia para la conexión de flujo entre los devanados primario y secundario. Generalmente, se construye con láminas de acero eléctrico apiladas con grano orientado para minimizar las pérdidas por corrientes parásitas e histéresis. El diseño del núcleo (tipo núcleo vs. tipo carcasa) influye en la distribución del flujo, la reactancia de fuga y el comportamiento ante cortocircuitos.
Bobinados (primario y secundario)
Los devanados son bobinas conductoras de cobre o aluminio dispuestas para proporcionar la relación de espiras requerida. Su geometría (en capas, disco, helicoidal) se selecciona en función del nivel de tensión, las necesidades de refrigeración y la resistencia a cortocircuitos. El aislamiento entre espiras, capas y entre el devanado y el núcleo se consigue mediante papeles aislantes, cartón prensado y aceite aislante.
Tanque y recinto
El tanque es un recipiente de acero hermético que alberga el núcleo y los devanados, y contiene el aceite aislante. Los tanques pueden ser lisos o estar equipados con corrugaciones y radiadores para aumentar la superficie externa de refrigeración. Para los transformadores de distribución, son comunes los tanques compactos; para los transformadores de potencia de gran tamaño, se utilizan conservadores de aceite, radiadores y tuberías de aceite independientes.
Aceite aislante (aceite de transformador)
Tradicionalmente, el aceite mineral (aceites de petróleo refinados) sirve como medio aislante y refrigerante. En ocasiones, se utilizan fluidos alternativos (ésteres sintéticos, ésteres naturales, fluidos de silicona) para mejorar la seguridad contra incendios o la biodegradabilidad. La pureza del aceite, el contenido de humedad y la rigidez dieléctrica se controlan estrictamente mediante filtración y pruebas.
Accesorios y protección
Los componentes auxiliares incluyen bujes para conexiones de alto voltaje, tanques conservadores (para expansión de aceite), unidades de ventilación para controlar el ingreso de humedad, dispositivos de alivio de presión, bombas de aceite (en sistemas de aceite forzado), radiadores o ventiladores ONAN/ONAF, cambiadores de tomas para ajuste de voltaje con o sin carga y dispositivos de monitoreo (medidores de temperatura, relés de gas en aceite, puertos de análisis de gas disuelto (DGA)).
Principios de refrigeración y disipación de calor en transformadores sumergidos en aceite
La gestión del calor es un factor clave en el diseño, ya que las pérdidas del transformador (pérdidas en el núcleo y pérdidas de carga) convierten la energía eléctrica en calor. Una disipación eficaz mantiene las temperaturas del devanado y el aislamiento dentro de límites seguros para evitar un envejecimiento acelerado.
Generación de calor
Pérdidas en el núcleo: causadas por histéresis magnética y corrientes de Foucault en el núcleo laminado; en gran medida independientes de la carga y proporcionales al voltaje y la frecuencia aplicados.
Pérdidas de cobre (carga): pérdidas I²R en los devanados que aumentan con la corriente de carga.
Mecanismos de transferencia de calor
Conducción: el calor pasa de las superficies de bobinado calientes al aceite circundante a través del contacto directo.
Convección natural: el aceite más caliente se vuelve menos denso y asciende, fluyendo hacia superficies más frías (paredes del tanque, radiadores); el aceite más frío desciende y circula de vuelta por los devanados. Esta circulación aleja el calor de la zona de los devanados.
Convección forzada: los ventiladores o bombas (en sistemas ONAF/OFWF) aceleran el flujo de aceite para aumentar la transferencia de calor cuando la convección natural es insuficiente con cargas elevadas.
Radiación y convección en la superficie del tanque: el calor finalmente se disipa al aire ambiente desde el tanque y los radiadores.
Clasificaciones de refrigeración
Las normas de la industria definen modos de refrigeración como ONAN (aceite natural, aire natural), ONAF (aceite natural, aire forzado), OFAF (aceite forzado, aire forzado) y OFWF (aceite forzado, agua forzada). La selección depende de la potencia nominal, las condiciones ambientales y la capacidad de sobrecarga requerida.
Interacción entre el aislamiento y la temperatura
La vida útil de los materiales aislantes depende en gran medida de la temperatura; una regla general es que cada aumento de 6 a 10 °C en la temperatura de funcionamiento reduce aproximadamente a la mitad la vida útil del aislamiento. Por lo tanto, la refrigeración a base de aceite es fundamental para prolongar la vida útil del transformador, manteniendo bajo control las temperaturas de los puntos calientes.
Ventajas en comparación con los transformadores de tipo seco
Los transformadores sumergidos en aceite suelen ser la opción preferida en muchos escenarios debido a su combinación de rendimiento eléctrico, gestión térmica y rentabilidad. Entre sus principales ventajas se incluyen:
Capacidad de enfriamiento superior
El aceite sumergido proporciona una eliminación de calor más efectiva que el aire, lo que permite una mayor capacidad de carga continua y una mayor tolerancia a la sobrecarga a corto plazo.
Mayor rigidez dieléctrica
El aceite llena los huecos y mejora el entorno dieléctrico alrededor de los devanados y los conjuntos de núcleos, aumentando los márgenes de voltaje de ruptura y reduciendo el riesgo de descarga parcial.
Compacidad y rentabilidad
Para una clasificación determinada, los transformadores sumergidos en aceite generalmente tienen un tamaño físico más pequeño y un costo de fabricación más bajo en comparación con las unidades de tipo seco equivalentes, especialmente en voltajes medios y altos.
Mayor vida útil con un buen mantenimiento
El mantenimiento, la filtración y el monitoreo adecuados del aceite (por ejemplo, DGA) ayudan a detectar fallas incipientes de manera temprana y prolongan la vida útil.
Flexibilidad en el diseño
Las unidades sumergidas en aceite se pueden diseñar para cambiadores de tomas bajo carga, clasificaciones de gran capacidad y esquemas de aislamiento especializados para aplicaciones de red exigentes.
Sin embargo, es fundamental reconocer las desventajas: los transformadores sumergidos en aceite presentan un mayor riesgo de incendio si se utiliza aceite mineral, requieren manipulación de aceite y medidas de protección ambiental, y podrían requerir una infraestructura de planta más rigurosa. En entornos con requisitos estrictos de seguridad contra incendios, como espacios interiores reducidos, minas o edificios de gran altura, pueden ser preferibles los transformadores de tipo seco o fluidos alternativos (como los ésteres naturales).
Escenarios de aplicación típicos
Los transformadores sumergidos en aceite se utilizan en una amplia gama de sectores donde se requiere alta fiabilidad y una gestión térmica eficiente. Entre sus aplicaciones más representativas se incluyen:
Subestaciones de transmisión y distribución
Los transformadores de potencia de gran tamaño (AT/MT) en subestaciones casi siempre están sumergidos en aceite debido a sus altas capacidades y a la necesidad de refrigeración eficiente y regulación de voltaje.
Sistemas de energía industriales
Las industrias pesadas (acero, petroquímica, cemento, minería) requieren transformadores robustos para motores grandes y cargas de proceso; los diseños sumergidos en aceite manejan cargas elevadas y tensiones transitorias de manera efectiva.
Integración de energías renovables e interconexión a la red
Los parques eólicos y las plantas de energía solar utilizan transformadores sumergidos en aceite en puntos centrales de recolección y estaciones elevadoras para conectarse a la red de transmisión.
Redes de distribución de servicios públicos
Los transformadores de distribución montados en postes o pedestales que sirven áreas residenciales y comerciales a menudo utilizan aceite para lograr compacidad y mejor rendimiento térmico.
Plataformas marinas y offshore
Se utilizan transformadores sumergidos en aceite especialmente diseñados (con fluidos resistentes al fuego cuando es necesario) para la energía a bordo de barcos e instalaciones en alta mar.
Centros de datos y grandes campus comerciales
Cuando el espacio, la eficiencia y la confiabilidad son importantes, se utilizan unidades sumergidas en aceite, a veces con medidas de seguridad contra incendios adicionales o fluidos alternativos para cumplir con los códigos locales.
Conclusión y recomendación
Los transformadores sumergidos en aceite siguen siendo un pilar fundamental para el suministro de energía confiable en los sectores de servicios públicos, industrial y comercial. Su eficaz gestión térmica, su robusto comportamiento dieléctrico y sus flexibles opciones de diseño los convierten en la opción predilecta para aplicaciones de media y alta potencia. El éxito de su implementación depende no solo del diseño inicial, sino también de un mantenimiento riguroso, la monitorización del estado y, cuando corresponda, la selección de fluidos aislantes modernos y tecnologías de monitorización digital.