Solución Integral de Mejora del Rendimiento para Transformadores de Transmisión: Optimizando el Enfriamiento y Reduciendo las Pérdidas en el Circuito Magnético

1. Antecedentes y desafíos

Con el crecimiento continuo de las cargas eléctricas y los requisitos cada vez más estrictos para la operación estable de la red, los transformadores de transmisión enfrentan graves desafíos en cuanto a la eficiencia operativa, el control del aumento de temperatura y la confiabilidad a largo plazo. Las temperaturas de operación excesivas aceleran el envejecimiento de los materiales de aislamiento, reducen la vida útil del equipo y aumentan el riesgo de fallos. Las pérdidas elevadas en el circuito magnético (principalmente pérdidas de hierro y cobre) disminuyen la eficiencia de utilización de la energía, lo que conduce a costos operativos innecesarios. Para abordar los dos problemas centrales comunes en los transformadores de transmisión—aumento excesivo de la temperatura​ y pérdidas significativas en el circuito magnético—se ha formulado esta solución integral.

2. Objetivos de la solución

• Reducir significativamente las temperaturas de operación: Controlar la temperatura del aceite superior y la temperatura de los puntos calientes de las bobinas dentro de los márgenes de operación seguros.
• Reducir efectivamente las pérdidas en el circuito magnético: Centrarse en la reducción de las pérdidas sin carga (pérdidas de hierro) y las pérdidas con carga (pérdidas de cobre), mejorando así la eficiencia operativa general.
• Mejorar la confiabilidad operativa: Reducir las tasas de fallo causadas por sobrecalentamiento y pérdidas excesivas, extendiendo la vida útil del transformador.
• Optimizar el costo total del ciclo de vida: Mejorar la eficiencia económica del transformador a través del ahorro de energía y la reducción de la frecuencia de mantenimiento.

3. Medidas de mitigación principales

Esta solución adopta una estrategia integrada de "Control de fuentes de pérdidas + Mejora de la capacidad de disipación de calor + Gestión de condiciones precisa":

3.1 Optimización y actualización del sistema de enfriamiento, mejora de la eficiencia de disipación de calor (abordando el aumento de la temperatura)

• Emplear métodos de enfriamiento de alta eficiencia:
• Enfriamiento forzado por aire (OFAF/ODAF): Retrofit de transformadores existentes enfriados por aire natural (ONAN) o enfriados por aire forzado (ONAF), o equipar unidades nuevas con ventiladores axiales de alto rendimiento. Seleccionar ventiladores eficientes, de bajo ruido y resistentes a las condiciones climáticas combinados con un control inteligente de flujo de aire (por ejemplo, arranque/parada automática basada en la temperatura o ajuste de velocidad variable) para mejorar significativamente la eficiencia de la convección de aire en las superficies de los radiadores y eliminar rápidamente el calor.
• Enfriamiento forzado por agua de aceite (OFWF): Priorizado para transformadores de ultra-alta capacidad, unidades con factores de carga elevados o aquellos que operan en temperaturas ambientales altas. Equipados con bombas de aceite de alta eficiencia y intercambiadores de calor de placas para aprovechar la alta capacidad calorífica específica del agua para un intercambio de calor eficiente. Requiere sistemas de tratamiento de agua de apoyo (para prevenir la formación de incrustaciones y la corrosión) y mecanismos de garantía de confiabilidad (por ejemplo, circuitos de agua dobles, bombas de respaldo).
• Enfriamiento asistido por tubos de calor: Instalar módulos de tubos de calor en puntos críticos de los radiadores para conducir y disipar eficientemente el calor de los puntos calientes locales mediante el principio de cambio de fase.
• Optimizar la estructura y disposición de los radiadores:
• Utilizar radiadores con mayor área superficial (por ejemplo, radiadores aletados, radiadores de panel) y diseños de trayectoria de flujo optimizados.
• Asegurar trayectorias de flujo suaves para los medios de enfriamiento (aire o agua), eliminar restricciones locales de flujo y mejorar la uniformidad de la disipación de calor.
• (Para el enfriamiento por aire) Optimizar la posición de los ventiladores y el diseño de los conductos para garantizar una cobertura uniforme del flujo de aire sobre las superficies de los radiadores, minimizando las zonas muertas.
• Control inteligente de enfriamiento:
• Ajustar automáticamente la salida del sistema de enfriamiento (velocidad/número de ventiladores, caudal de la bomba de aceite) según el monitoreo en tiempo real de la temperatura del aceite, la temperatura de las bobinas y la temperatura ambiente. Lograr un enfriamiento a demanda, garantizando la eficacia de la disipación de calor mientras se minimiza el consumo de energía de los equipos auxiliares.

3.2 Optimización de los materiales y la estructura del núcleo, reducción de las pérdidas de hierro (control de pérdidas magnéticas del núcleo)

• Seleccionar materiales de núcleo de alto rendimiento:
• Priorizar láminas de acero silicio laminado en frío de alta permeabilidad y baja pérdida unitaria (por ejemplo, acero HiB) o materiales de aleación amorfa más avanzados (que ofrecen ventajas significativas para la reducción de las pérdidas sin carga).
• Controlar estrictamente el grosor, la planitud y la calidad del recubrimiento aislante de las láminas de acero silicio para minimizar las pérdidas por histeresis y corrientes de Foucault.
• Optimizar el diseño y los procesos de fabricación del núcleo:
• Implementar técnicas de empilamiento en escalón para minimizar la reluctancia magnética en las uniones, reduciendo las pérdidas adicionales de hierro.
• Controlar con precisión el factor de empilamiento del núcleo y la fuerza de presión para asegurar una distribución uniforme del camino magnético y evitar la saturación local.
• (Aplicando tecnologías avanzadas) Explorar técnicas como el grabado láser (Laser Scribbling) para optimizar aún más la estructura de los dominios magnéticos del material.
• Optimizar los métodos de puesta a tierra del núcleo y el blindaje para reducir las pérdidas dispersas en los componentes estructurales.

3.3 Optimización del diseño de las bobinas y mejora de los procesos, reducción de las pérdidas de cobre (control de pérdidas magnéticas clave)

• Optimizar la estructura de las bobinas y el diseño electromagnético:
• Calcular con precisión la distribución de amperios-vuelta, optimizar la forma de la sección transversal del conductor (por ejemplo, utilizando cables transpuestos continuos - CTC o cables transpuestos autoadherentes - TTC) para minimizar las corrientes circulantes y las pérdidas por corrientes de Foucault.
• Seleccionar razonablemente el material del conductor (cobre libre de oxígeno de alta conductividad) y la densidad de corriente, reduciendo eficazmente las pérdidas de resistencia directa mientras se cumplen las restricciones de aumento de temperatura.
• Optimizar la altura, el diámetro y las dimensiones radiales de las bobinas para controlar el flujo de fuga y reducir las pérdidas dispersas.
• Procesos de fabricación avanzados:
• Asegurar la compactación uniforme de las bobinas utilizando equipos de bobinado a tensión constante.
• Emplear procesos avanzados de Impregnación al Vacío y Presión (VPI) o colado de resina para garantizar un llenado completo de los espacios con materiales aislantes, mejorando la conductividad térmica y la resistencia mecánica, lo que ayuda a la disipación de calor y reduce las descargas parciales.

3.4 Monitoreo de la condición del circuito magnético y mantenimiento proactivo (gestión en bucle cerrado, asegurando el rendimiento a largo plazo)

• Implementar un monitoreo preciso de la condición del circuito magnético:
• Evaluación integral de la salud del circuito magnético integrando monitoreo en línea (por ejemplo, Análisis de Gases Disueltos - DGA, monitoreo de descargas parciales de alta frecuencia, monitoreo de vibraciones/ruido acústico, termografía infrarroja) y pruebas fuera de línea (pruebas periódicas de deformación de las bobinas, pruebas de pérdidas sin carga y con carga, pruebas de corriente de tierra del núcleo).
• Monitoreo focalizado: Signos de fallas de puesta a tierra múltiple del núcleo, fluctuaciones anormales de pérdidas, sobrecalentamiento de escudos magnéticos y estructuras de sujeción.
• Establecer un mecanismo de mantenimiento preventivo:
• Desarrollar planes de mantenimiento del circuito magnético dirigidos basados en datos de monitoreo de la condición y el historial operativo.
• Inspecciones periódicas de la puesta a tierra del núcleo y de la estructura de sujeción: Asegurar una puesta a tierra de un solo punto confiable, detectar y corregir rápidamente las fallas de puesta a tierra múltiple (que aumentan significativamente las pérdidas de hierro y causan sobrecalentamiento).
• Inspeccionar escudos magnéticos, pinzas y otros componentes estructurales: Verificar la holgura, el sobrecalentamiento o las marcas de descarga; eliminar rápidamente las anomalías.
• Durante las inspecciones de levantamiento del núcleo/tapa, realizar controles y mantenimientos focalizados en las uniones de las láminas del núcleo y la condición de sujeción.
• Realizar un análisis diagnóstico profundo de las tendencias ascendentes detectadas en las pérdidas anómalas para identificar las causas raíz y aplicar medidas correctivas.

4. Beneficios esperados

• Reducción significativa del aumento de la temperatura: Se espera que las temperaturas de operación (especialmente las temperaturas de los puntos calientes) sean controladas eficazmente, con reducciones que alcanzan los objetivos proyectados (por ejemplo, 15-25%), aliviando considerablemente el estrés térmico de envejecimiento del aislamiento.
• Reducción efectiva de las pérdidas en el circuito magnético:
• Pérdidas de hierro (pérdidas sin carga): Se espera una reducción del 20-40% a través de nuevos materiales y procesos (especialmente significativa cuando se utilizan aleaciones amorfas).
• Pérdidas de cobre (pérdidas con carga): Se espera una reducción del 10-25% a través del diseño optimizado de las bobinas.
• Mejora de la eficiencia general de 1-3 puntos porcentuales, proporcionando beneficios económicos considerables y una reducción de emisiones de carbono.
• Mejora sustancial de la confiabilidad: Los riesgos de fallo causados por sobrecalentamiento y anomalías en el circuito magnético se reducen significativamente, mejorando la disponibilidad del equipo y extendiendo su vida útil.
• Costo total del ciclo de vida optimizado: A pesar de una posible inversión inicial más alta (por ejemplo, materiales de alto rendimiento, sistemas de enfriamiento avanzados), los beneficios derivados del ahorro de energía a largo plazo, la reducción de los costos de mantenimiento y la extensión de la vida útil son más sustanciales, logrando una Rentabilidad (ROI) favorable.

5. Ámbito de aplicación

Esta solución se aplica a nuevos transformadores de potencia sumergidos en aceite y transformadores en servicio de nivel de voltaje de 35 kV y superior. Las medidas específicas pueden personalizarse e implementarse según la capacidad, el nivel de voltaje, el entorno de operación, la criticidad y la condición actual del transformador.