ONAN frente a ONAF: Guía completa sobre los sistemas de refrigeración para transformadores sumergidos en aceite

Elegir el sistema de refrigeración adecuado para su transformador sumergido en aceite es una decisión crítica que afecta al rendimiento, la vida útil y los costos operativos. Esta guía ofrece una comparación exhaustiva de los dos métodos de refrigeración más comunes: ONAN (aceite natural, aire natural) y ONAF (Oil Natural Air Forced) — para ayudarle a tomar una decisión informada.

1. ¿Por qué Transformadores Sumergidos en Aceite Necesita refrigeración

Los transformadores son los motores de los sistemas eléctricos de potencia, ya que convierten los niveles de tensión para permitir una transmisión y distribución eficientes. Sin embargo, este proceso no es 100 % eficiente. Durante su funcionamiento, pérdidas en el núcleo (pérdidas en vacío) y pérdidas por cobre (pérdidas de carga) generan calor significativo.

Este calor no es meramente un subproducto; es el factor principal que limita la vida útil de un transformador. El sistema de aislamiento interno del transformador, normalmente fabricado con papel celulósico impregnado en aceite, se degrada más rápidamente a temperaturas elevadas. Como regla general, la velocidad de envejecimiento del aislamiento se duplica por cada aumento de 6 °C en la temperatura del punto caliente . El exceso de calor puede provocar:

• Envejecimiento acelerado del aislamiento y reducción de la vida útil
• Formación de lodos y ácidos que degradan la calidad del aceite
• Mayor riesgo de puntos calientes en los devanados y sobrecalentamiento localizado
• Fallo catastrófico potencial, causando cortes de energía y pérdidas económicas

Una gestión térmica eficaz es esencial para mantener temperaturas de operación seguras, garantizar la fiabilidad y alcanzar la vida útil esperada de 25 a 30 años de los transformadores de potencia.

2. Método de refrigeración ONAN — Aceite Natural Aire Natural

ONAN (aceite natural, aire natural) es el método de refrigeración más sencillo y más utilizado para transformadores de distribución y transformadores de potencia de menor tamaño. Se basa íntegramente en la transferencia pasiva de calor: no se requieren ventiladores, bombas ni piezas móviles.

2.1 Cómo funciona la refrigeración ONAN

El ciclo de refrigeración es impulsado por convección natural (efecto termosifón) :

1. Generación de calor: Los devanados y el núcleo generan calor durante su funcionamiento.
2. Ascenso del aceite: El aceite caliente se vuelve menos denso y asciende hacia la parte superior del depósito.
3. Disposición de calor: El aceite caliente fluye hacia los radiadores externos (o tubos de refrigeración), donde transfiere calor al aire circundante a través de las paredes del radiador.
4. Refrigeración y retorno: El aceite refrigerado se vuelve más denso, desciende de nuevo al fondo del depósito y repite el ciclo.

Este método es completamente impulsado por la flotabilidad y no requiere ninguna entrada de energía externa para la refrigeración.

2.2 Ventajas de la refrigeración ONAN

• Cero piezas móviles: La ausencia de ventiladores o bombas significa prácticamente ningún riesgo de fallo mecánico. Esto se traduce en la máxima fiabilidad y los intervalos de mantenimiento más largos.
• Funcionamiento silencioso: Al no producir ruido de ventilador, los transformadores ONAN son ideales para zonas residenciales, hospitales e instalaciones sensibles al ruido. Los niveles de ruido suelen ser ≤55 dB.
• Menor Costo Total de Propiedad: Ningún consumo de energía auxiliar, mantenimiento mínimo (análisis anual del aceite) y menor costo inicial de inversión comparado con los sistemas de refrigeración forzada.
• Confiabilidad demostrada: Esta tecnología cuenta con una historia operativa que supera el siglo y está ampliamente comprendida.

2.3 Desventajas de la refrigeración ONAN

• Capacidad de refrigeración limitada: La eficiencia de la refrigeración pasiva es menor, lo que hace que la refrigeración ONAN no sea adecuada para transformadores muy grandes. Los límites prácticos de capacidad suelen ser de hasta 25–30 MVA.
• Rendimiento deficiente en climas cálidos: A temperaturas ambientales superiores a 30 °C, los transformadores ONAN pueden requerir reducción de carga (disminución de la capacidad) del 20–30 % para evitar sobrecalentamiento.
• Mayor tamaño físico: Para alcanzar una potencia nominal determinada en MVA, los transformadores ONAN necesitan radiadores más grandes que los diseños con refrigeración forzada, lo que exige más espacio de instalación.

2.4 Aplicaciones típicas de la refrigeración ONAN

• Transformadores de distribución de hasta 30 MVA
• Subestaciones rurales y zonas residenciales donde el ruido constituye una preocupación
• Aplicaciones de carga base con cargas estables y predecibles
• Instalaciones con personal de mantenimiento mínimo disponible

3. Método de refrigeración ONAF: aceite natural, aire forzado

ONAF (Oil Natural Air Forced) se basa en el principio ONAN al añadir ventiladores eléctricos a los radiadores. El aceite sigue circulando de forma natural por convección, pero los flujo de aire forzado ventiladores mejoran significativamente la disipación de calor.

3.1 Cómo funciona la refrigeración ONAF

5. Circulación natural del aceite: Al igual que en ONAN, el aceite caliente asciende desde los devanados hacia los radiadores mediante el efecto termosifón.
6. Enfriamiento por aire forzado: Ventiladores eléctricos montados en los bancos de radiadores soplan aire sobre la superficie de los radiadores, aumentando considerablemente el coeficiente de transferencia de calor y la velocidad de enfriamiento.
7. Control automático: Los ventiladores se activan normalmente mediante sensores de temperatura cuando la carga y la temperatura interna aumentan. Se apagan cuando ya no es necesario el enfriamiento, optimizando así el consumo energético.

Esto es un sistema de refrigeración semiautónomo que proporciona capacidad térmica adicional sin requerir bombas de aceite.

3.2 Ventajas de la refrigeración ONAF

• Capacidad de refrigeración aumentada: ONAF proporciona un 25–40 % adicional de capacidad de refrigeración en comparación con ONAN. Esto permite que el transformador soporte cargas más elevadas sin superar los límites de temperatura.
• Flexibilidad de doble clasificación: La mayoría de los transformadores de potencia se especifican con doble clasificación (por ejemplo, 40/50 MVA ONAN/ONAF). Operan en modo ONAN silencioso y de bajo mantenimiento a carga base y cambian automáticamente al modo ONAF durante la demanda máxima.
• Aumentos de capacidad: El aumento de capacidad depende del tamaño del transformador:
  • Por debajo de 2500 kVA: aumento aproximado del 15 % en régimen ONAF
  • de 2500 a 10 000 kVA: aumento aproximado del 25 %
  • Por encima de 10 000 kVA: aumento de hasta el 33 % (ONAF1) o del 67 % con una segunda etapa de ventilación (ONAF2)
• Eficiente para cargas variables: Ideal para aplicaciones con fluctuaciones significativas de carga diarias o estacionales.

3.3 Desventajas del enfriamiento ONAF

• Mantenimiento adicional: Los ventiladores poseen piezas móviles (rodamientos, motores) que requieren inspección periódica y sustitución (normalmente cada 7–10 años).
• Costos Operativos Más Altos: El funcionamiento de los ventiladores consume energía auxiliar (~1–3 kW/h) y eleva los costos operativos en comparación con el régimen puramente ONAN.
• Generación de ruido: Los ventiladores generan ruido en el rango de 55 a 65 dB(A). Aunque es aceptable en entornos industriales, esto puede ser un problema en zonas urbanas o residenciales.
• Dependencia de una fuente de alimentación externa: Los ventiladores requieren una fuente de alimentación auxiliar fiable para funcionar.

3.4 Aplicaciones típicas del enfriamiento ONAF

• Transformadores de potencia medianos a grandes (rango de 30 a 100 MVA)
• Subestaciones suburbanas e instalaciones industriales con cargas variables
• Instalaciones con doble clasificación que requieren aumentos estacionales o bajo demanda de capacidad
• Diseños de transformadores en los que se considera la superficie ocupada

4. ONAN frente a ONAF — Tabla comparativa

5. Preguntas frecuentes (FAQ)

P1: ¿Puede un transformador de inmersión en aceite tener ambas clasificaciones ONAN y ONAF? Sí. Esto se denomina transformador de doble clasificación y es muy común en transformadores de potencia. La clasificación base es ONAN. Cuando la carga aumenta, los ventiladores se activan para proporcionar la clasificación superior ONAF (por ejemplo, 40/50 MVA ONAN/ONAF).

P2: ¿Cuánta capacidad adicional proporciona ONAF sobre ONAN?

La capacidad adicional varía según el tamaño: hasta un 15 % en transformadores pequeños, un 25 % en unidades medianas y entre un 33 % y un 67 % en transformadores grandes (superiores a 10 MVA).

P3: ¿Qué método de refrigeración es más fiable para transformadores de aceite?

ONAN es más fiable porque no tiene partes móviles y no puede sufrir fallos mecánicos. ONAF incorpora ventiladores que requieren mantenimiento y pueden fallar, aunque son fácilmente reemplazables.

C4: ¿Cuál es más económico: ONAN o ONAF?

ONAN tiene costos iniciales y operativos más bajos oNAF tiene un costo inicial mayor (15–20 %) y costos operativos a largo plazo adicionales (energía para los ventiladores, mantenimiento).

C5: ¿Cómo elegir entre ONAN y ONAF?

Considere su perfil de carga, temperatura ambiente, restricciones acústicas y capacidades de mantenimiento. Para cargas base estables en climas frescos, ONAN es ideal. Para cargas variables que requieren ocasionalmente capacidad pico, una clasificación dual ONAN/ONAF ofrece la mejor flexibilidad.

6. Conclusión

Elegir entre ONAN y ONAF no se trata simplemente de seleccionar un código de refrigeración; se trata de optimizar el rendimiento, la fiabilidad y el costo total de propiedad de su transformador según su entorno operativo específico. Ya necesite la simplicidad silenciosa y libre de mantenimiento de ONAN para una aplicación residencial o la capacidad flexible para cargas pico de un diseño con clasificación dual ONAN/ONAF, contar con un socio de ingeniería adecuado es fundamental.

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