He estado trabajando con especificaciones técnicas para el diseño de transformadores para aplicaciones de energías renovables (eólica y solar) con temperaturas ambiente máximas superiores a 40 °C, ¡alcanzando valores cercanos a los 55 °C!
Estos valores de temperatura ambiente son superiores a los máximos comúnmente disponibles para el diseño de transformadores en el sistema eléctrico brasileño.
Esto se debe a que los parques de energía renovable generalmente se construyen en regiones de Brasil con mayor incidencia solar y, en consecuencia, con una temperatura ambiente más alta. Esta condición, ideal para la instalación de parques solares, puede aumentar la demanda térmica de los transformadores, especialmente de los transformadores unitarios en estas aplicaciones.
En estas aplicaciones, los transformadores unitarios se instalan con frecuencia en cubículos cerrados cerca de la base de los aerogeneradores o, en el caso de la energía solar, en cabinas cerradas cerca (o incluso adyacentes) a los inversores (actualmente se utilizan subestaciones tipo skid).
El comportamiento térmico de los transformadores que operan en ambientes cerrados debe analizarse con mucho cuidado.
Los transformadores, al operar en espacios cerrados, presentan un comportamiento térmico significativamente reducido, ya que su capacidad de disipación de calor se limita prácticamente a la circulación pasiva del aire en estas estructuras. Rara vez se instalan sistemas de refrigeración activa, por lo que la temperatura ambiente interna de estos entornos cerrados puede alcanzar valores máximos muy superiores a la temperatura ambiente externa, lo que daña y acorta la vida útil del transformador.
Según el cálculo de la pérdida de vida útil de la norma IEC60076-7, un aumento de la temperatura media de tan solo 10 °C puede reducir la vida útil del equipo en varios años (para calcular el valor exacto, se requiere información adicional del diseño del equipo).
La temperatura ambiente que debe considerarse para el diseño de transformadores que operan en espacios cerrados es la temperatura del aire que rodea al transformador dentro del cubículo, y no la temperatura ambiente externa.
Por ello, hemos enumerado las principales cuestiones que pueden ayudar a aclarar técnicamente algunos temas relacionados con la temperatura ambiente de estos equipos que operan en ambientes cerrados y, de esta forma, servir de base para la construcción y/o modificación del texto de las especificaciones técnicas de estas aplicaciones:
- ¿Cuáles son las temperaturas ambientales promedio y máxima en el lugar de instalación del transformador?
- ¿Funcionará el transformador en un cubículo cerrado con disipación de calor limitada?
- ¿La temperatura ambiente considerada tiene en cuenta la condición del transformador que opera dentro de un entorno cerrado?
- ¿En la determinación de la temperatura ambiente del transformador (que puede estar dentro de un ambiente cerrado) se tuvo en cuenta el calentamiento generado por las pérdidas del propio equipo y sus accesorios?
- ¿Se analizó el comportamiento térmico completo del sistema cerrado del transformador, considerando el nivel total de pérdidas que se deben disipar desde el recinto cerrado al ambiente externo?
En el caso de ambientes cerrados, si bien los transformadores están diseñados con una excelente eficiencia en comparación con otros equipos eléctricos, los altos niveles de potencia involucrados y las pérdidas intrínsecas provocan un aumento de la temperatura interna de este recinto con respecto a la temperatura ambiente externa.
Citando como referencia: en transformadores para accionamientos de unidades con potencia de 5 MVA y considerando una eficiencia de aproximadamente el 99%, se generan pérdidas en el rango de 50 kW que deben ser disipadas desde este cubículo cerrado al ambiente exterior.
A continuación se presentan algunas preguntas que se pueden plantear respecto al diseño de los cubículos de instalación de estos transformadores:
- ¿El sistema de enfriamiento (o circulación de aire) está diseñado para disipar las pérdidas del transformador en condiciones de funcionamiento nominales?
- ¿El sistema de enfriamiento (o circulación de aire) está diseñado para tener en cuenta también las pérdidas de los accesorios y paneles eléctricos que puedan estar instalados en la misma área?
Además, cabe señalar que, en el caso de transformadores utilizados en lugares con altos niveles de contaminación (típicos de zonas cercanas al mar o con alta ventilación, lo que favorece la acumulación de polvo), pueden acumularse partículas en suspensión en el equipo y su sistema de refrigeración, lo que compromete aún más su rendimiento térmico. En este caso, pueden surgir los siguientes problemas:
- ¿Existe un programa de mantenimiento que verifique la limpieza de los transformadores y sus elementos de refrigeración (radiadores)?
- ¿Existe protección contra la entrada de partículas en las aberturas de entrada de aire de los cubículos cerrados? ¿Esta protección limita el flujo de aire? ¿Se consideró esta condición en los cálculos térmicos?
- ¿La entrada de aire para refrigeración interna en estos cubículos está libre de obstrucciones?
- Si hay un sistema de enfriamiento activo (ventiladores o aire acondicionado), ¿tiene sistemas adecuados de respaldo o protección de fallas y señalización?
Se sabe que la vida útil de los transformadores depende fundamentalmente de su temperatura de funcionamiento, la cual a su vez depende directamente de la temperatura ambiente a la que están expuestos los equipos.
Hay muchos aspectos a considerar para garantizar que un transformador no se sobrecaliente en aplicaciones de energías renovables, especialmente cuando se ubica dentro de un cubículo cerrado.
Se pueden proponer numerosas soluciones para esta aplicación, desde un diseño térmico completo que considere el comportamiento del transformador en conjunto con el cubículo cerrado hasta sistemas de monitoreo de temperatura mediante sensores.
Diseñar un transformador considerando la temperatura ambiente real de su instalación garantizará que se preserve su vida útil durante toda su operación y, en consecuencia, reducirá las paradas (es decir, la interrupción de la generación) para tareas de mantenimiento.
El uso de sensores de temperatura, a su vez, es una solución relativamente sencilla, y los datos generados, al cruzarse con la potencia que pasa por el transformador, pueden generar información muy importante para determinar si se está desarrollando alguna condición crítica y, por lo tanto, por ejemplo, activar equipos de mantenimiento correctivo o ajustar la frecuencia del mantenimiento preventivo.