Control del calentamiento en transformadores eléctricos POLYLUX: eficiencia y fiabilidad térmica

Los transformadores eléctricos POLYLUX están diseñados para ofrecer la máxima fiabilidad y eficiencia, incluso en condiciones térmicas exigentes. Como en cualquier equipo electromecánico, generan calor como resultado de las pérdidas internas durante su funcionamiento. Estas pérdidas se clasifican en dos tipos principales: pérdidas en el núcleo magnético y pérdidas en los bobinados.

Tipos de pérdidas en transformadores

Las pérdidas del núcleo magnético son constantes y se producen en cuanto el transformador se conecta a su tensión nominal, independientemente de la carga conectada. Esto explica por qué, tras un tiempo de funcionamiento, puede detectarse una temperatura cercana a los 100 °C en la parte superior del núcleo, incluso en vacío. Este comportamiento es habitual en condiciones de trabajo normales, aunque puede agravarse con la presencia de armónicos o incrementos de tensión en la red.

Los armónicos provocan un aumento exponencial de las pérdidas en el núcleo, por lo que es esencial dimensionar correctamente el transformador para evitar un sobrecalentamiento que afecte a los bobinados. Estas pérdidas en los bobinados, a diferencia de las del núcleo, sí dependen de la carga. Su diseño contempla ciertos márgenes establecidos por normativa para no superar los límites térmicos del aislamiento aplicado.

El tipo de aislamiento térmico es el que establece la temperatura máxima de trabajo del transformador.

Clases de aislamiento térmico

Los materiales aislantes utilizados en la fabricación de transformadores no solo garantizan el nivel de seguridad eléctrica, sino también la resistencia a altas temperaturas. Según la clase de aislamiento, se determinan los límites térmicos:

• Clase B (Tmax 130 °C): Ideal para transformadores de maniobra o control de pequeño tamaño.

• Clase F (Tmax 155 °C): Aplicada en transformadores de hasta 40 kVA.

• Clase H (Tmax 180 °C): Diseñada para transformadores de gran potencia (≥40 kVA).

¿Cuál es la temperatura máxima que soporta un transformador?

Las normativas fijan unos límites térmicos según la clase de aislamiento y su combinación con una temperatura ambiente máxima de 40 °C, incluyendo los siguientes incrementos permitidos:

Si la temperatura ambiente difiere de los 40 °C estándar, estos valores se ajustan. Por ejemplo, con una Tamb de 60 °C y un aislante de clase H, el incremento permitido será de 100 °C para no superar los 160 °C totales.

Materiales aislantes empleados en los transformadores

Para garantizar la seguridad y durabilidad del transformador, todos los materiales aislantes utilizados deben cumplir o superar la clase térmica seleccionada en el diseño:

1. Laminados aislantes flexibles

Empleados principalmente entre capas del bobinado y entre los bobinados primario y secundario, deben soportar tensiones superiores a 5 kV, reforzándose en ocasiones con múltiples capas para aumentar la seguridad.

2. Carretes o perfiles de soporte

Elementos estructurales del bobinado que deben también respetar la clase de aislamiento térmico establecida.

3. Cintas de sujeción

Estas cintas aseguran los bobinados y deben cumplir con los mismos requisitos de aislamiento que el resto de los componentes.

4. Esmaltes o recubrimientos

Los conductores (hilos o pletinas) están protegidos con esmaltes térmicos para evitar cortocircuitos entre espiras. Se suelen usar recubrimientos con clase HC (hasta 200 °C), superiores al resto de los materiales.

5. Encapsulado en resina

Las resinas aislantes ofrecen protección frente a ambientes agresivos, sobrecargas y permiten propiedades autoextinguibles si están certificadas para ello. También deben respetar la clase de aislamiento del diseño.

Diseño térmico del transformador

Aunque un transformador puede diseñarse para operar con los valores de temperatura permitidos por su clase de aislamiento, a menudo se opta por trabajar con márgenes térmicos más bajos para alargar su vida útil. Por ejemplo, diseñar un transformador con aislantes clase H pero con una temperatura de trabajo equivalente a clase B.

Este enfoque reduce el calentamiento y, en consecuencia, mejora el rendimiento general del transformador al minimizar las pérdidas térmicas.

Ensayos de verificación

1. Ensayo dieléctrico

Este ensayo consiste en aplicar una tensión de al menos 3 kV durante 1 minuto a 50 Hz entre bobinados y masa, para transformadores con tensiones nominales inferiores a 1.100 V. Para alta tensión, se aplican pruebas según la normativa IEC/EN 60076-3, incluyendo:

• Ensayo tipo rayo

• Ensayo de tensión inducida

2. Ensayo de calentamiento

Este procedimiento verifica los incrementos térmicos mediante la medición de resistencias en frío y caliente, evaluando que se mantengan dentro de los márgenes estipulados por la normativa.

Consecuencias del sobrecalentamiento

Un calentamiento excesivo puede tener efectos negativos como:

• Reducción de la vida útil del aislamiento

• Pérdida de eficiencia

• Aumento del consumo energético

• Incremento de costes operativos

• Riesgo de destrucción del transformador por fallo del aislamiento

Medidas para prevenir el sobrecalentamiento

Para evitar estos problemas es recomendable:

• Realizar mantenimientos periódicos (control de temperaturas, conexiones y valores nominales)

• Utilizar protecciones adecuadas frente a sobrecargas

• Instalar sensores de temperatura para monitorización activa, como:

  • Sondas bimetálicas (activan alarma o disparo)

  • Sondas PTC (activación de dispositivos)

  • Sondas PT100 (lectura en tiempo real mediante centralitas)

Conclusión

Los materiales aislantes son fundamentales en la determinación de los límites térmicos del transformador. Un diseño bien dimensionado y el uso de componentes de calidad permiten optimizar su vida útil y eficiencia.

Desde POLYLUX, se apuesta por un diseño adaptado a cada necesidad, cumpliendo con las normativas de calentamiento, asegurando una óptima refrigeración y ofreciendo soluciones de monitorización térmica para garantizar el correcto funcionamiento del equipo.