Transformador sumergido en aceite

El transformador sumergido en aceite es una máquina eléctrica estática que transfiere energía eléctrica entre circuitos mediante conductores acoplados inductivamente, utilizando aceite aislante como medio dieléctrico y refrigerante. La variación de corriente en el devanado primario induce un campo magnético cambiante que genera una tensión alterna en el devanado secundario. Para un transformador ideal, la relación entre tensiones y corrientes sigue una ley de proporcionalidad basada en el número de espiras.

U₁ / U₂ = N₁ / N₂ = I₂ / I₁

Variable	Símbolo	Unidad
Tensión eléctrica (potencial)	U	V
Número de espiras del devanado	N	adimensional
Corriente eléctrica	I	A

En un ejemplo típico, un transformador con 500 espiras primarias, 3000 espiras secundarias y una tensión alterna primaria de 230 V generará una tensión secundaria de 1380 V (1,38 kV).

Especificaciones estándar

Las especificaciones estándar de los transformadores sumergidos en aceite se definen principalmente por su potencia aparente nominal en kVA y la corriente a plena carga que pueden suministrar a diferentes niveles de tensión. Las tablas siguientes presentan los valores para configuraciones monofásicas y trifásicas habituales en aplicaciones industriales y de distribución.

Transformador monofásico

Potencia aparente (kVA)	Corriente a plena carga 120 V (A)	Corriente a plena carga 240 V (A)	Corriente a plena carga 480 V (A)
0,05 kVA	0,42 A / 0,42 A	0,21 A / 0,21 A	0,10 A / 0,10 A
0,075 kVA	0,63 A / 0,63 A	0,31 A / 0,31 A	0,16 A / 0,16 A
0,1 kVA	0,83 A / 0,83 A	0,42 A / 0,42 A	0,21 A / 0,21 A
0,15 kVA	1,25 A / 1,25 A	0,63 A / 0,63 A	0,31 A / 0,31 A
0,25 kVA	2,08 A / 2,08 A	1,04 A / 1,04 A	0,52 A / 0,52 A
0,5 kVA	4,17 A / 4,17 A	2,08 A / 2,08 A	1,04 A / 1,04 A
0,75 kVA	6,25 A / 6,25 A	3,13 A / 3,13 A	1,56 A / 1,56 A
1 kVA	8,33 A / 8,33 A	4,17 A / 4,17 A	2,08 A / 2,08 A
1,5 kVA	12,5 A / 12,5 A	6,25 A / 6,25 A	3,13 A / 3,13 A
2 kVA	16,7 A / 16,7 A	8,33 A / 8,33 A	4,17 A / 4,17 A
3 kVA	25 A / 25 A	12,5 A / 12,5 A	6,3 A / 6,3 A
5 kVA	41,7 A / 41,7 A	20,8 A / 20,8 A	10,4 A / 10,4 A
7,5 kVA	62,5 A / 62,5 A	31,3 A / 31,3 A	15,6 A / 15,6 A
10 kVA	83,3 A / 83,3 A	41,7 A / 41,7 A	20,8 A / 20,8 A
15 kVA	125 A / 125 A	62,5 A / 62,5 A	31,3 A / 31,3 A
25 kVA	208 A / 208 A	104,2 A / 104,2 A	52,1 A / 52,1 A
37,5 kVA	313 A / 313 A	156,3 A / 156,3 A	78,1 A / 78,1 A
50 kVA	417 A / 417 A	208,3 A / 208,3 A	104,2 A / 104,2 A
75 kVA	625 A / 625 A	313 A / 313 A	156 A / 156 A
100 kVA	833 A / 833 A	417 A / 417 A	208 A / 208 A
167 kVA	1392 A / 1392 A	696 A / 696 A	348 A / 348 A
200 kVA	1667 A / 1667 A	833 A / 833 A	417 A / 417 A
250 kVA	2083 A / 2083 A	1042 A / 1042 A	521 A / 521 A

Transformador trifásico

Potencia aparente (kVA)	Corriente a plena carga 240 V (A)	Corriente a plena carga 480 V (A)
3 kVA	7,2 A / 7,2 A	3,6 A / 3,6 A
6 kVA	14,4 A / 14,4 A	7,2 A / 7,2 A
9 kVA	21,7 A / 21,7 A	10,8 A / 10,8 A
15 kVA	36,1 A / 36,1 A	18,0 A / 18,0 A
22 kVA	53,0 A / 53,0 A	26,5 A / 26,5 A
30 kVA	72,2 A / 72,2 A	36,1 A / 36,1 A
45 kVA	108 A / 108 A	54,1 A / 54,1 A
75 kVA	180 A / 180 A	90,2 A / 90,2 A
112,5 kVA	271 A / 271 A	135 A / 135 A
150 kVA	361 A / 361 A	180 A / 180 A
225 kVA	541 A / 541 A	271 A / 271 A
300 kVA	722 A / 722 A	361 A / 361 A
500 kVA	1203 A / 1203 A	601 A / 601 A
750 kVA	1806 A / 1806 A	903 A / 903 A

Propiedades del aceite aislante

El aceite aislante para transformadores es un fluido estable a altas temperaturas con excelentes propiedades dieléctricas, cuya función principal es aislar eléctricamente, suprimir descargas parciales y arcos, y actuar como refrigerante. Debe mantener una rigidez dieléctrica, conductividad térmica y estabilidad química elevadas durante periodos prolongados a temperaturas de trabajo exigentes.

Propiedad	Valor típico
Rigidez dieléctrica mínima (breakdown voltage)	30 kV RMS
Punto de inflamación (flash point)	> 140 °C / 284 °F
Punto de fluidez (pour point)	< −40 °C / −40 °F
Resistencia específica a 27 °C	1500 × 10¹² ohm·cm
Resistencia específica a 90 °C	35 × 10¹² ohm·cm
Temperatura máxima del aceite en sobrecarga	90 °C / 194 °F

Existen dos tipos principales de aceite para transformadores: el aceite de base parafínica y el aceite de base nafténica. El aceite nafténico se oxida más rápidamente, pero los productos de oxidación (lodos) son más solubles y no se depositan en el fondo del tanque, manteniendo la circulación del aceite y la eficacia del sistema de refrigeración. El aceite parafínico se oxida más lentamente, pero sus lodos son insolubles y se acumulan en el fondo, pudiendo obstruir la circulación y reducir la capacidad de enfriamiento. A pesar de esta desventaja, el aceite parafínico es de uso común en muchos países por su alta disponibilidad.

Sistema de refrigeración

La refrigeración en los transformadores sumergidos en aceite se logra mediante la transferencia de calor desde el núcleo y los devanados hacia el aceite, y desde este hacia el ambiente a través de la superficie del tanque. Los transformadores de distribución pequeños disipan el calor directamente por las paredes del tanque. Los transformadores de potencia de mayor capacidad incorporan radiadores externos por los que el aceite circula por convección natural.

En transformadores con capacidades de miles de kVA, el sistema de refrigeración puede reforzarse con ventiladores de enfriamiento forzado montados sobre los radiadores, bombas de circulación de aceite e incluso intercambiadores de calor aceite–agua para aplicaciones de alta potencia. Los transformadores sin depósito de expansión (conservador) suelen estar equipados con relés de presión súbita, mientras que aquellos con conservador incorporan relés detectores de gas como el relé Buchholz, capaz de detectar acumulaciones lentas de gas o aumentos rápidos de presión y disparar el interruptor de protección del circuito.

Condiciones ambientales y de servicio

El rango de temperatura ambiente para la operación continua de un transformador sumergido en aceite típico se sitúa entre −25 °C y 40 °C (−13 °F a 104 °F) [VERIFICAR]. Los transformadores de potencia se someten a procesos de secado prolongados mediante autocalentamiento eléctrico, aplicación de vacío o ambos métodos combinados, con el objetivo de eliminar completamente el vapor de agua del interior antes del llenado con aceite aislante. Este procedimiento previene la formación de descargas parciales (corona) y la subsiguiente ruptura dieléctrica bajo carga.

El nivel de aceite se monitoriza habitualmente mediante un indicador magnético de nivel (MOG), y la hermeticidad del sistema debe garantizarse para evitar el ingreso de oxígeno atmosférico y humedad, factores que degradan aceleradamente las propiedades aislantes del aceite mineral y aceleran la oxidación del aislamiento celulósico de los devanados.

Aplicaciones típicas

Los transformadores sumergidos en aceite se utilizan en subestaciones de distribución y transmisión de energía eléctrica, plantas industriales, centrales de generación, sistemas de tracción ferroviaria, instalaciones de energías renovables (parques eólicos y solares fotovoltaicos) y en cualquier aplicación que requiera transformación de tensión con potencias desde unos pocos kVA hasta cientos de MVA. Gracias a la elevada capacidad dieléctrica y térmica del aceite, esta tecnología domina el mercado de transformadores de potencia frente a los transformadores de tipo seco en aplicaciones de exterior e interior donde las exigencias de aislamiento y evacuación de calor son críticas.

Cuando las normativas contra incendios exigen el uso de líquidos menos inflamables en interiores, pueden emplearse ésteres sintéticos o naturales con puntos de fuego superiores a 300 °C / 572 °F, o bien optar por transformadores secos sin líquido aislante.

Preguntas frecuentes (FAQ)

¿Cuál es la rigidez dieléctrica mínima aceptable para el aceite de transformador según los ensayos en campo?

La rigidez dieléctrica mínima del aceite de transformador, medida como tensión de ruptura (breakdown voltage) en un espinterómetro con separación de electrodos de 2,5 mm, se considera aceptable a partir de 30 kV.

¿Cuál es la corriente a plena carga de un transformador trifásico de 500 kVA a 480 V?

Un transformador trifásico de 500 kVA a 480 V entrega una corriente a plena carga de 601 A.

¿Qué temperatura máxima puede alcanzar el aceite de un transformador en condiciones de sobrecarga?

La temperatura del aceite en condiciones de plena carga puede llegar hasta 90 °C, y la resistencia específica del aceite a esa temperatura debe mantenerse como mínimo en 35 × 10¹² ohm·cm para garantizar un funcionamiento seguro.

¿Cuál es el punto de inflamación del aceite mineral típico para transformadores?

El punto de inflamación del aceite mineral para transformadores es superior a 140 °C / 284 °F.

¿Qué tensión secundaria se obtiene con 500 espiras primarias, 3000 espiras secundarias y 230 V de alimentación?

Aplicando la relación de transformación, la tensión secundaria resultante es 1380 V (1,38 kV).

¿A qué temperatura se mide la resistencia específica del aceite aislante para verificar su calidad?

La resistencia específica se mide a 27 °C y a 90 °C, debiendo alcanzar valores mínimos de 1500 × 10¹² ohm·cm y 35 × 10¹² ohm·cm respectivamente.

Fuentes consultadas

• engineeringtoolbox.com: https://www.engineeringtoolbox.com/transformer-d_1398.html
• electrical4u.com: https://www.electrical4u.com/transformer-insulating-oil-and-types-of-transformer-oil/