Transformadores sumergidos en aceite desempeñan un papel esencial en las redes actuales de transmisión y distribución de energía. Desde subestaciones eléctricas y plantas industriales hasta edificios comerciales y sistemas de redes rurales, estos transformadores garantizan una conversión de tensión estable, una alta fiabilidad y una larga vida útil.
Este artículo ofrece una explicación clara y profesional de la estructura y principio de funcionamiento de los transformadores sumergidos en aceite, ayudando a ingenieros, equipos de compras y usuarios finales a comprender mejor su rendimiento y aplicaciones.
¿Qué es un transformador sumergido en aceite?
En transformador sumergido en aceite (también llamado transformador de aceite) es un tipo de transformador de potencia o de transformador de distribución en la que el el núcleo y los devanados están totalmente sumergidos en aceite aislante para transformadores. El aceite desempeña dos funciones principales:
- Aislamiento: Evita las averías eléctricas entre componentes
- Refrigeración: Transfiere el calor de los bobinados y el núcleo a la superficie del depósito
Estos transformadores se utilizan en ambos transmisión de energía y redes de distribucióncomúnmente clasificados como:
- Transformador de potencia sumergido en aceite - para aplicaciones de alta tensión y gran capacidad
- Transformador de distribución sumergido en aceite - para distribución de 10kV/20kV/35kV a 230/400V
Su capacidad para soportar grandes cargas, condiciones de sobrecarga y entornos exteriores adversos las convierte en la columna vertebral de la infraestructura energética mundial.
Componentes estructurales de los transformadores sumergidos en aceite
Aunque los diseños varían según los fabricantes, un transformador sumergido en aceite estándar suele incluir los siguientes componentes:
1. Núcleo (circuito magnético)
El núcleo del transformador es la vía magnética que guía el flujo magnético alterno. Suele estar hecho de:
- Laminados de acero al silicio de grano orientado laminados en frío
- Grosor comúnmente inferior a 0,3 mm
- Baja histéresis y pérdidas por corrientes parásitas
Existen dos tipos estructurales comunes:
- Transformador con núcleo - bobinados rodean los miembros del núcleo
- Transformador de carcasa - el núcleo rodea las bobinas
En la actualidad, la mayoría de los transformadores de potencia y distribución utilizan la estructura de tipo núcleo debido a su mejor refrigeración y resistencia mecánica.
Los transformadores de gran capacidad incluyen conductos de aceite dentro del núcleo para que el aceite circulante pueda eliminar eficazmente el calor del circuito magnético.
2. Devanados (bobinas primarias y secundarias)
Los bobinados son responsables de la conversión de la tensión mediante inducción electromagnética. Suelen estar hechos de conductores de cobre o aluminio, aislados con materiales de alta temperatura.
Las estructuras de bobinado más comunes son:
- Devanados concéntricos
- Bobinados intercalados o de disco
- Devanados estratificados para bobinas de AT y BT
Consideraciones clave para los bobinados:
- Debe soportar fuerzas mecánicas de cortocircuito
- Debe disipar eficazmente el calor en el aceite del transformador
- Requieren un aislamiento robusto para evitar fallos entre espiras y de fase a tierra
Entre los fallos típicos del bobinado se incluyen:
- Cortocircuitos entre espiras (por envejecimiento del aislamiento o sobrecarga)
- Fallos de fase a tierra (por humedad, degradación del aceite o sobretensión)
- Deformación causada por las fuerzas de la corriente de cortocircuito
La circulación de aceite ayuda a mantener la integridad del aislamiento y disipa el calor generado por las pérdidas de I²R.
3. Aceite del transformador y depósito de aceite
En depósito de aceite aloja el núcleo y los devanados y está lleno de aceite mineral de transformador de alta calidad.
El tanque realiza estas funciones:
- Contiene el aceite del transformador
- Proporciona un entorno sellado para evitar la oxidación
- Soporta las aletas del radiador para disipar el calor
Los transformadores pequeños y medianos sumergidos en aceite suelen utilizar:
- Depósitos de aceite sellados (herméticamente cerrado)
- Paredes onduladas del depósito para permitir la dilatación térmica
- Radiadores o aletas de refrigeración para mejorar la disipación del calor
Los transformadores más grandes pueden incluir conservadores de aceite (depósito de expansión de aceite) para mantener el equilibrio de la presión y evitar el contacto aceite-aire.
4. Cambiador de tomas
El cambiador de tomas sirve para ajustar la tensión de salida del transformador a las fluctuaciones de la red.
Los tipos incluyen:
- Cambiador de tomas en vacío (OLTC) - ajustado cuando el transformador está sin tensión
- Cambiador de tomas bajo carga (LTC/OLTC) - ajusta automáticamente la tensión durante el funcionamiento
Los cambiadores de tomas garantizan una tensión secundaria estable incluso con condiciones de red primaria fluctuantes.
5. Bujes
Los casquillos proporcionan aislamiento de alta tensión a los conductores que atraviesan la pared del depósito del transformador.
Tipos:
- Casquillos de porcelana
- Casquillos de material compuesto
- Casquillos rellenos de aceite para aplicaciones de alta tensión
Deben soportar alta tensión, tensiones ambientales y cargas mecánicas.
6. Dispositivos de protección y control
Los transformadores sumergidos en aceite incluyen varios mecanismos de protección:
- Relevo de Buchholz - detecta la acumulación de gas por fallos internos
- Válvula limitadora de presión - libera el exceso de presión interna
- Sensores de temperatura/termómetros - controlar la temperatura del aceite y del bobinado
- Indicador del nivel de aceite - garantiza un volumen de aceite adecuado
- Respiradero (gel de sílice) - mantiene la humedad fuera del sistema de conservación
Estos dispositivos garantizan un funcionamiento seguro y duradero.
Principio de funcionamiento de los transformadores sumergidos en aceite
Los transformadores sumergidos en aceite funcionan según el principio de inducción electromagnética.
Desglosemos el proceso:
1. Se aplica tensión al devanado primario
Cuando se aplica tensión alterna a la bobina primaria, fluye una corriente alterna que genera un campo magnético en el núcleo de hierro.
2. Enlaces de flujo magnético con el devanado secundario
El flujo magnético alterno atraviesa el núcleo y enlaza los devanados primario y secundario.
La tensión inducida obedece a la ecuación EMF del transformador: E=4,44fNΦmax
Dónde:
- E = tensión inducida
- f = frecuencia
- N = número de vueltas
- Φmax = flujo magnético máximo
Diferentes relaciones de giro crean diferentes tensiones de salida.
3. Transferencia de potencia mediante acoplamiento magnético
- Cuando el lado secundario está circuito abiertoEn el devanado primario sólo circula corriente magnetizante.
- Cuando el secundario está cargadoLa corriente circula por la carga, generando un flujo opuesto.
- El devanado primario ajusta automáticamente su corriente para mantener el equilibrio del flujo magnético.
Este equilibrio dinámico permite la transferencia de energía del primario al secundario sin contacto eléctrico directo.
4. Refrigeración y aislamiento del aceite
El aceite de los transformadores circula continuamente debido a la convección natural o a las bombas de aceite forzadas, realizando varias funciones vitales:
- Transfiere el calor de los bobinados y el núcleo a la pared del depósito
- Mejora la resistencia del aislamiento
- Evita la entrada de humedad
- Reduce la oxidación y la degradación térmica
Esta refrigeración basada en aceite permite a los transformadores sumergidos en aceite manejar capacidades mucho mayores que los transformadores de tipo seco.
Ventajas de los transformadores sumergidos en aceite
1. Excelente capacidad de refrigeración
El aceite proporciona una disipación térmica superior, lo que permite una mayor capacidad de carga y una vida útil más larga.
2. Alta resistencia eléctrica
El aceite para transformadores mejora considerablemente la resistencia del aislamiento entre los componentes.
3. Larga vida útil
Los transformadores sumergidos en aceite con un mantenimiento adecuado suelen superar 25-35 años de funcionamiento.
4. Apto para instalación en exteriores
Funcionan con fiabilidad en condiciones meteorológicas adversas.
5. Manejo de sobrecargas fuertes
La refrigeración por aceite permite a los transformadores soportar sobrecargas temporales sin daños graves en el aislamiento.
Aplicaciones de los transformadores sumergidos en aceite
Los transformadores sumergidos en aceite se utilizan ampliamente en:
- Subestaciones eléctricas
- Plantas de fabricación industrial
- Explotaciones mineras
- Redes de distribución rurales y urbanas
- Proyectos de energías renovables
- Sistemas eléctricos comerciales y residenciales
Conclusión
Los transformadores sumergidos en aceite siguen siendo la opción preferida para la distribución mundial de energía gracias a su robusta estructura, alto rendimiento térmico y fiabilidad a largo plazo. Comprender sus componentes y principios de funcionamiento ayuda a los usuarios a tomar decisiones informadas sobre su adquisición, funcionamiento y mantenimiento.
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