Al seleccionar un transformador de potencia, el aislamiento a menudo se discute como si fuera un único parámetro. En realidad, el diseño de aislamiento del transformador implicados aspectos fundamentalmente diferentes: el rendimiento del aislamiento térmico y la resistencia del aislamiento dieléctrico.

El lado térmico determina cómo el sistema de aislamiento soporta la temperatura de funcionamiento, el aumento de la temperatura, la temperatura del punto caliente y el envejecimiento térmico. El lado dieléctrico determina si el transformador puede soportar la tensión potencia-frecuencia, el impulso de rayos y otras sobretensiones transitorias.

Por lo tanto,La clase térmica y el nivel de aislamiento dieléctrico deben seleccionarse por separadoConfundir estos dos conceptos puede conducir a especificaciones incorrectas del transformador, costos innecesarios o coordinación de aislamiento inadecuada.

1. ¿Qué es la clase de aislamiento del transformador?

Los términosClases A, E, B, F y HSe usan comúnmente para describir la clasificación térmica de sistemas de aislamiento eléctrico o materiales aislantes.

IEC 60085 establece criterios para evaluar la resistencia térmica de materiales aislantes eléctricos y sistemas de aislamiento eléctrico y asignar clases térmicas. Es importante destacar que la norma distingue entre la clasificación térmica de los materiales de aislamiento y la de los sistemas de aislamiento completos. ([Tienda web de la IEC][1])

Las clases térmicas de referencia típicas incluyen:

Estas temperaturas debennose interpreten como límites de punto caliente de bobinado de transformador universal.

Un fabricante de transformadores debe evaluar el sistema de aislamiento completo, el diseño de aumento de temperatura, la disposición de enfriamiento, las condiciones de carga y la norma aplicable del transformador antes de determinar la temperatura de funcionamiento permitida.

La clase térmica no es igual al aumento de la temperatura

Esta distinción es esencial.

Por ejemplo:

Clase F Aumentode temperatura 100 K

y

Clase H Aumentode temperatura 125 K

La clase térmica describe la resistencia térmica del sistema de aislamiento o material. Los límites de aumento de temperatura del transformador se especifican por separado de acuerdo con el diseño del transformador, la norma aplicable y las condiciones de funcionamiento.

Para los transformadores sumergidos en líquido, IEC 60076-2 aborda específicamente los requisitos de aumento de temperatura y las pruebas de aumento de temperatura. ([Tienda web de la IEC][2])

2. Clase térmica contra nivel de aislamiento dieléctrico

Este es el concepto más importante en la selección del aislamiento del transformador.

Por consiguiente:

La clase térmica determina la resistencia térmica del sistema de aislamiento, mientras que el nivel de aislamiento dieléctrico determina la capacidad del aislamiento del transformador para soportar tensiones eléctricas.

Aumentar la tensión nominal del transformador no significa automáticamente que la clase térmica debe aumentar.

Por ejemplo, un transformador de potencia sumergido en aceite de alta tensión puede usar un sistema de aislamiento convencional basado en celulosa mientras tiene un nivel de aislamiento dieléctrico mucho más alto que un transformador de tipo seco de baja tensión.

Son dos dimensiones de diseño independientes.

3. Cómo seleccionar la clase térmica del transformador

La selección correcta de la clase térmica debe comenzar con las condiciones de funcionamiento reales en lugar de simplemente elegir una clase superior.

Un proceso práctico de selección se puede dividir en cinco pasos.

Paso 1: Identifique el tipo de transformador y el sistema de aislamiento

Determine primero si el transformador es:

• Sumergido en aceite mineral

• Lleno de éster

• Tipo seco de resina fundida

• Tipo seco aislado por aire

• Otro diseño especializado

El sistema de aislamiento debe evaluarse entonces como un sistema completo en lugar de por el nombre de un material aislante.

Transformadores sumergidos en aceite

Los transformadores convencionales sumergidos en aceite mineral utilizan comúnmente sistemas de aislamiento basados en celulosa. El papel mejorado térmicamente y otras tecnologías de aislamiento de alta temperatura también se pueden usar cuando el diseño requiere un rendimiento térmico mejorado.

Para los transformadores que utilizan materiales aislantes de alta temperatura, IEC 60076-14 aborda específicamente las consideraciones de diseño, prueba y carga. ([Tienda web de la IEC][2])

Por lo tanto, es mejor especificar elsistema de aislamiento completo y su rendimiento térmicoen lugar de simplemente decir que un transformador de aceite es "clase A".

Transformadores de tipo seco

Los sistemas de aislamiento de clase F y clase H se utilizan ampliamente en los transformadores modernos de tipo seco.

La elección adecuada depende de:

• Temperatura ambiente

• Cargar perfil

• Condiciones de refrigeración

• Aumento de temperatura requerido

• Requisitos de sobrecarga

• Construcción de sistemas de aislamiento

• Entorno de instalación

Las normas IEEE también distinguen los requisitos de transformadores de tipo seco y las pruebas de los requisitos de transformadores sumergidos en líquido. ([IEEE Xplore][3])

4. Considere la temperatura ambiente y el perfil de carga

La temperatura ambiente es uno de los factores más importantes en la selección del transformador térmico.

Un transformador que funciona continuamente a temperatura ambiente de 45°C tiene un margen térmico considerablemente menor que uno que funciona a 25°C, incluso si ambos tienen la misma potencia nominal.

Las siguientes condiciones deben identificarse durante la especificación:

Las cargas armónicas merecen especial atención. Los rectificadores, los accionamientos de frecuencia variable, los inversores fotovoltaicos y otras cargas electrónicas de potencia pueden producir corrientes no sinusoidales y pérdidas adicionales del transformador.

El IEEE C57.110 proporciona métodos para evaluar la capacidad del transformador cuando se suministran corrientes de carga no sinusoidales y se aplica tanto a transformadores sumergidos en líquido como de tipo seco dentro de su alcance. ([IEEE Xplore][4])

5. Cómo evaluar la temperatura del punto caliente de bobinado

Eltemperatura del punto caliente de bobinadoes más importante para el envejecimiento térmico que la temperatura promedio de bobinado.

Un concepto de ingeniería simplificado es:

Temperatura del punto caliente = temperatura ambiente + componentes relevantes del aumento de la temperatura + permiso del punto caliente

Sin embargo, esto debenoser tratado como un cálculo universal utilizando un gradiente de punto caliente fijo.

La temperatura real del punto caliente depende de:

• Construcción de transformadores

• Geometría de bobinado

• Distribución de pérdidas

• Método de enfriamiento

• Nivel de carga

• Circulación de aceite o aire

• Características térmicas del sistema de aislamiento

El IEEE tiene una guía dedicada para determinar la temperatura del punto más caliente en aplicaciones de transformadores llenos de líquido y de tipo seco. Por ejemplo, el IEEE C57.134 aborda metodologías para determinar la temperatura del punto más caliente de bobinado en estado estacionario en transformadores de tipo seco. ([IEEE Xplore][5])

Para los transformadores sumergidos en líquido, el diseño de aumento de temperatura debe evaluarse de acuerdo con los requisitos aplicables y los métodos de ensayo de IEC 60076-2 o los requisitos IEEE correspondientes.

Un mejor enfoque de ingeniería

En lugar de decir:

45°C + 115 K + 8 K = 168°C → La clase H es necesaria

El enfoque correcto de ingeniería es:

Temperatura ambiente máxima → perfil de carga → modelo térmico transformador → aumento de la temperatura de bobinado → temperatura del punto caliente → Capacidad térmica del sistema de aislamiento → vida útil requerida

Si la temperatura del punto caliente calculada o probada es excesiva, las soluciones posibles incluyen:

• Aumento de la capacidad del transformador

• Reducción de la carga continua

• Mejorar el enfriamiento

• Reducción de pérdidas

• Optimización del diseño de bobinado

• Elegir un sistema de aislamiento adecuado

• Utilizar tecnología de aislamiento de alta temperatura cuando se justifique

Por lo tanto,La actualización de la clase F a la clase H es solo una solución posible, no un requisito automático.

6. Considere el envejecimiento térmico y la vida útil

El aislamiento del transformador se deteriora gradualmente bajo tensiones térmicas, eléctricas y ambientales.

Para muchos sistemas de aislamiento convencionales, un aumento de 10°C en la temperatura de aislamiento se utiliza a menudo como unregla del pulgarpara ilustrar el envejecimiento térmico acelerado. Sin embargo, el envejecimiento real del aislamiento depende del sistema de aislamiento completo y factores como:

• temperatura

• Humedad

• oxígeno

• Material de aislamiento

• Condición del aceite

• Cargar perfil

• Duración de funcionamiento

Por lo tanto, el comúnmente citado “Regla 10°C” debe tratarse como una aproximación de ingeniería en lugar de una ecuación universal de vida.

Para aplicaciones que requieren una larga vida útil, la especificación del transformador debe definir el perfil de carga esperado y las condiciones de funcionamiento en lugar de simplemente requerir una clase térmica superior.

7. ¿Cuándo debe considerar una clase térmica superior?

Una clase térmica superior puede ser apropiada cuando el transformador está expuesto a condiciones térmicas exigentes.

Los factores típicos incluyen:

Alta temperatura ambiente

Los ejemplos incluyen:

• Instalaciones en el desierto

• Ambientes tropicales

• Salas eléctricas mal ventiladas

• Subestaciones cerradas

• Subestaciones en contenedores

Sobrecarga frecuente

Si se espera que el transformador funcione por encima de la carga nominal durante períodos significativos, el diseño térmico debe evaluarse de acuerdo con el perfil de carga real.

Cargas armónicas

Los accionamientos industriales, rectificadores, centros de datos, convertidores de energía renovable y otras cargas no lineales pueden aumentar las pérdidas del transformador y el calentamiento.

Refrigeración limitada

Para los transformadores de tipo seco, la ventilación inadecuada de la habitación puede afectar significativamente a la temperatura de funcionamiento real.

Requisitos especiales de funcionamiento

La minería, la metalurgia, el tránsito ferroviario, la energía renovable y otras aplicaciones pueden requerir diseños térmicos y de aislamiento personalizados.

Sin embargo, estas condiciones no significan automáticamente que se debe seleccionar la clase H. El fabricante debe evaluar primero el diseño térmico completo.

8. Las condiciones ambientales no deben resolverse solo por la clase térmica

Otro error común es asumir:

Ambiente duro → Aislamiento de clase H

Esto no es necesariamente correcto.

Diferentes problemas ambientales requieren diferentes medidas de ingeniería.

Por ejemplo, la alta humedad puede requerir una protección adecuada contra la humedad y la selección del sistema de aislamiento, pero simplemente cambiar de la clase F a la clase H no resuelve automáticamente el problema.

Del mismo modo, la alta altitud afecta tanto el diseño térmico como el dieléctrico, por lo que debe considerarse por separado en lugar de tratarse como un problema de clase térmica solo.

9. Seleccione el nivel de aislamiento dieléctrico por separado

Después de que se haya establecido el diseño térmico, el nivel de aislamiento dieléctrico del transformador debe seleccionarse por separado.

El proceso básico es:

Voltaje del sistema → Voltaje más alto para el equipo (Um) → Coordinación del aislamiento → AC soporta → Impulso de rayos → Impulso de conmutación cuando sea aplicable

Para los transformadores de alta y media tensión, los parámetros dieléctricos importantes pueden incluir:

• Voltaje de resistencia de potencia-frecuencia

• Voltaje de resistencia al impulso del rayo (LI o LIWV)

• Voltaje de resistencia del impulso de conmutación (SI o SIWV), cuando corresponda

• Coordinación de aislamiento interno

• Autorizaciones externas

• Distancias de arrastre

IEC 60076-3 cubre específicamente los niveles de aislamiento del transformador, las pruebas dieléctricas y los espacios libres externos relacionados. Por lo tanto, es una referencia mucho más precisa para esta parte de la especificación del transformador que simplemente citar la serie general IEC 60076.

Consideraciones típicas de aplicación

Conexión de línea aérea

La coordinación del aislamiento por impulsos de rayos es particularmente importante debido a la exposición a sobretensiones atmosféricas.

Transformador conectado por cable

El entorno de sobrevoltaje es diferente a una conexión de línea aérea y debe evaluarse en función de la configuración real de la red.

Transformador conectado a GIS

Los fenómenos transitorios rápidos y la interfaz GIS-transformador real pueden requerir consideración adicional.

El punto importante es:

La clase térmica del transformador no debe utilizarse como sustituto de la coordinación del aislamiento dieléctrico.

10. El diseño térmico y el diseño dieléctrico deben verificarse por separado

Por lo tanto, una especificación de transformador bien diseñada debe contener dos secciones independientes.

Esta separación hace que la especificación técnica sea mucho más clara y reduce el riesgo de seleccionar un sistema de aislamiento basado únicamente en la clase de tensión o temperatura.

11. Pruebas de aislamiento y verificación del transformador

El programa de prueba también debe dividirse en verificación térmica y dieléctrica.

Verificación térmica

Dependiendo del tipo de transformador y la norma aplicable, esto puede incluir:

• Ensayo de aumento de temperatura

• Verificación del aumento de la temperatura del bobinado

• Evaluación de la temperatura del punto caliente

• Evaluación de la capacidad de carga

Para los transformadores sumergidos en líquido, IEC 60076-2 proporciona el marco de aumento de temperatura y los métodos de prueba relevantes. ([Tienda web de la IEC][2])

Verificación dieléctrica

Dependiendo del diseño y la especificación del transformador, las pruebas pueden incluir:

• Prueba de tensión aplicada

• Prueba de tensión inducida

• Prueba de impulso de rayos

• Medición de descarga parcial cuando sea aplicable

• Medidas de resistencia al aislamiento según se especifica

Estas pruebas verifican el rendimiento dieléctrico y no deben confundirse con la verificación de la clase térmica.

Para los transformadores de tipo seco, IEEE C57.12.91 proporciona métodos de prueba para las pruebas especificadas por las normas aplicables de transformadores de tipo seco y las especificaciones del usuario. ([IEEE Xplore][6])

12. Ejemplos prácticos de selección de aislamiento de transformador

En lugar de usar una regla simple como “alta temperatura = clase H”, considere la aplicación completa.

Ejemplo 1 Transformador de distribución sumergido en aceite convencional

Condiciones:

• 10/0.4 kV

• Temperatura ambiente dentro de las condiciones estándar especificadas

• Carga estable

• Bajo contenido armónico

• Aplicación de distribución convencional

Un sistema de aislamiento convencional basado en celulosa puede ser apropiado. Los límites reales de aumento de temperatura y carga deben establecerse de acuerdo con la norma aplicable del transformador y el diseño del fabricante.

Ejemplo 2: Transformador de resina fundida interior

Condiciones:

• 10/0.4 kV

• Edificio comercial

• Temperatura ambiente normal

• Variación de carga moderada

Un sistema de aislamiento de clase F puede ser adecuado si el diseño térmico completo cumple con los requisitos de aumento de temperatura y vida útil requeridos.

Ejemplo 3: Transformador de tipo seco en una habitación eléctrica de alta temperatura

Condiciones:

• Alta temperatura ambiente

• Ventilación restringida

• Variación de carga significativa

• Equipo de producción armónica

El fabricante debe calcular primero el rendimiento térmico real. Dependiendo de la temperatura del punto caliente resultante y la vida útil requerida, la solución puede implicar una mayor capacidad, un enfriamiento mejorado, un aumento de temperatura reducido o un sistema de aislamiento de temperatura superior.

Ejemplo 4: Transformador de potencia de alta tensión

Un transformador de alta tensiónnorequieren automáticamente una clase térmica superior simplemente porque su voltaje es mayor.

Su nivel de aislamiento dieléctrico debe seleccionarse de acuerdo con la tensión del sistema y la coordinación del aislamiento, mientras que su diseño térmico debe determinarse de forma independiente.

Este es uno de los principios más importantes en la selección del aislamiento del transformador.

13. Errores comunes de selección del aislamiento del transformador

Error 1: Un voltaje más alto significa una clase térmica más alta

Incorrecto.

La tensión afecta principalmente a la coordinación del aislamiento dieléctrico, mientras que la clase térmica se refiere a la resistencia térmica.

Error 2: La clase H es siempre mejor que la clase F

No necesariamente.

Una clase térmica superior puede ser innecesaria si el transformador ya cumple con los requisitos de aumento de temperatura, punto caliente y vida útil requeridos.

El enfoque correcto es seleccionar el sistema de aislamiento según las condiciones de funcionamiento reales.

Error 3: La clase térmica determina directamente el aumento de la temperatura

Incorrecto.

La clase térmica y los límites de aumento de temperatura del transformador están relacionados pero no son intercambiables.

Error 4: La temperatura promedio de bobinado es la misma que la temperatura del punto caliente

Incorrecto.

El punto caliente de bobinado puede ser significativamente superior a la temperatura promedio de bobinado, y la temperatura del punto caliente es importante para evaluar el envejecimiento térmico.

Error 5: Una clase térmica superior resuelve todas las condiciones ambientales duras

Incorrecto.

La humedad, el polvo, la niebla salina, la contaminación química y la altitud requieren sus propias consideraciones de diseño.

Error 6: Clase térmica de aislamiento determina BIL

Incorrecto.

El nivel de aislamiento por impulso de rayos es parte del diseño de aislamiento dieléctrico y debe seleccionarse de acuerdo con la coordinación de aislamiento aplicable y la norma del transformador.

14. Lista de control de selección de aislamiento del transformador

Antes de finalizar una especificación del transformador, verifique lo siguiente:

15. ¿Qué normas deben considerarse?

Los estándares exactos dependen del tipo de transformador y el mercado objetivo, pero las siguientes son referencias importantes al desarrollar una especificación internacional de transformadores:

IEC 60085Evaluación térmica y designación del aislamiento eléctrico. Establece criterios para evaluar la resistencia térmica de materiales aislantes eléctricos y sistemas de aislamiento. ([Tienda web de la IEC][1])

IEC 60076-2Transformadores de potencia, Parte 2: Aumento de la temperatura para los transformadores sumergidos en líquido. ([Tienda web de la IEC][2])

IEC 60076-3Transformadores de potencia, Parte 3: Niveles de aislamiento, pruebas dieléctricas y espacios externos.

IEC 60076-14 — Transformadores de potencia sumergidos en líquido utilizando materiales aislantes de alta temperatura. ([Tienda web de la IEC][2])

Para los proyectos norteamericanos, las normas IEEE/ANSI aplicables deben seleccionarse según el tipo de transformador y los requisitos del proyecto. Por ejemplo, el IEEE C57.12.01 cubre los requisitos generales para la distribución de tipo seco y los transformadores de potencia, mientras que el IEEE C57.110 aborda la capacidad del transformador con corrientes de carga no sinusoidales. ([IEEE Xplore][3])

Conclusión

La selección precisa del aislamiento del transformador nunca debe reducirse a simplemente elegirClases A, B, F o H.

Un proceso de selección fiable debe separar dos preguntas de diseño independientes:

Diseño térmico

Temperatura ambiente → Load → Refrigeración → Aumento de la temperatura → Temperatura del punto caliente → Envejecimiento térmico → Vida útil

y

Diseño dieléctrico

Voltaje del sistema → Um → Coordinación del aislamiento → AC soporta → LI/BIL → SI cuando sea aplicable

La clase térmica describe la resistencia térmica del sistema de aislamiento, mientras que el nivel de aislamiento dieléctrico determina su capacidad para soportar la tensión eléctrica. IEC 60085, IEC 60076-2, IEC 60076-3 y IEC 60076-14 abordan diferentes partes de este proceso de diseño en lugar de proporcionar un solo "grado de aislamiento del transformador" para cada aplicación. ([Tienda web de la IEC][1])

Por lo tanto, para los compradores e ingenieros de transformadores, el mejor enfoque no es elegir la clase de aislamiento más alta, sino especificar el sistema de aislamiento, el rendimiento térmico y el nivel de aislamiento dieléctrico de acuerdo con la tensión real, la carga, el entorno y las condiciones de servicio.