Aqueles engenheiros que participaram de licitações de transformadores atestarão como é comparar duas propostas em relação à aparência, enquanto são absolutamente diferentes no que diz respeito à qualidade: grau do aço do núcleo, design de enrolamento, fixação e isolamento. A conexão delta-estrela do transformador é apenas parte do trabalho realizado. O que também é importante é a forma como é construído. O presente documento explica todas as características de construção dos transformadores delta-estrela, como disposição do núcleo e do enrolamento, arranjo de buchas, comutadores de derivação, sistema de resfriamento e design do tanque, permitindo assim ter uma visão da proposta apresentada.
Uma resposta a esta pergunta é a seguinte. O transformador delta-estrela consiste em três bobinas de alta tensão conectadas em delta e três bobinas de baixa tensão conectadas em estrela dispostas concêntricamente ao redor de um núcleo laminado de aço silício orientado por grão. O transformador também inclui um ponto neutro de baixa tensão, três buchas de alta tensão, quatro terminais de baixa tensão, um comutador de derivação fora de circuito/em carga e o sistema de resfriamento (o tipo a óleo utiliza ONAN/ONAF e o tipo seco utiliza AN/AF). As melhores características da construção incluem a fixação apertada das juntas do núcleo em miter, o dimensionamento do reforço do enrolamento axial e radial para forças de curto-circuito, isolamento classificado para BIL (tensão de impulso de relâmpago) da classe de tensão requerida e o processo de secagem a vácuo.
Visão Geral da Construção
Um transformador delta-estrela é composto por duas partes, a parte ativa e a parte da carcaça. A parte ativa é feita do conjunto núcleo-enrolamento que é composto por um núcleo de transformador de três pernas (um transformador de cinco pernas pode ser necessário para aplicações de maior potência), bem como as três bobinas de alta tensão conectadas em delta e três bobinas de baixa tensão conectadas em estrela junto com o comutador de derivação e isolamento dos condutores. A carcaça é feita de um tanque (no caso de um transformador imerso em óleo) com radiadores ou aletas de resfriamento, buchas, sistema de preservação de óleo e dispositivos de proteção, ou de uma carcaça ventilada com terminais (no caso de transformadores sólidos). Nos transformadores imersos em óleo, a parte ativa é seca a vácuo e imersa em óleo mineral que desempenha a função de isolamento e resfriamento. Nos transformadores do tipo seco, os enrolamentos são vazados a vácuo em epóxi, eliminando assim completamente o uso do sistema de óleo. As conexões delta e estrela são feitas no transformador e externamente apenas três buchas de alta tensão e ou três terminais de baixa tensão com um neutro ou quatro terminais de baixa tensão são visíveis no lado de baixa tensão.
| Componente | Construção Típica | Função |
|---|---|---|
| Núcleo | Laminações GOES, juntas em miter, seção transversal escalonada | Caminho de fluxo de baixa perda |
| Enrolamento de baixa tensão (estrela) | Cobre, enrolado em hélice ou em camadas, posição interna | Transporta corrente de baixa tensão, fornece neutro |
| Enrolamento de alta tensão (delta) | Cobre, enrolado em camadas ou em disco, posição externa | Transporta tensão de linha, forma laço delta |
| Barreiras de isolamento | Papel de celulose / epóxi, dimensionado para BIL | Resistência dielétrica |
| Comutador de derivação | Fora de circuito ±2×2.5%, ou OLTC | Ajuste da relação de tensão |
| Tanque / carcaça | Aço soldado, selado ou conservador (óleo); carcaça ventilada (seco) | Proteção, resfriamento, contenção de óleo |
O Núcleo: Grau de Aço, Juntas e Fixação
O maior fator quando se trata de perda de potência e produção de ruído é a qualidade do núcleo. Os núcleos modernos são feitos de aço silício orientado por grão (GOES) fabricados em graus como 27ZH95 ou 23ZH85 ou também de metal amorfo para melhor eficiência. O grau indica o tipo de aço que é utilizado e indica quão espesso é o aço e a eficiência de perda, já que um número menor significa menos perda em um quilograma. As chapas têm um corte em bisel ao longo das bordas, reduzindo assim o grau de perda e a corrente que é produzida pelos cantos. As chapas também devem ser montadas de uma maneira que se assemelhe a uma forma circular para minimizar a área ocupada durante a bobinagem. A etapa final é garantir que o núcleo esteja fixado da maneira correta. O núcleo pode estar muito solto e criar vibrações, ou muito apertado, danificando assim a isolação.
Bobinagens: Arranjo Delta e Wye
As bobinagens são colocadas em padrões concêntricos em cada um dos membros: as bobinagens de LV estão localizadas mais próximas do núcleo, enquanto as bobinagens de HV estão colocadas do lado de fora com barreiras de isolamento na direção axial e radial, dependendo da classe de tensão. A bobinagem de LV, que compreende a conexão neutra e a conexão wye, está geralmente na forma helicoidal ou em camadas de cobre (ou alumínio em modelos de menor custo), enquanto a bobinagem de HV está localizada em formas de camadas ou em discos feitos de cobre. A conexão delta é feita para conectar as bobinagens de HV juntas. O laço é o caminho da corrente para a terceira harmônica e a corrente de sequência zero. A conexão wye conecta as três extremidades da bobinagem de LV com um ponto neutro comum conectado ao terminal neutro. O material utilizado na bobinagem é importante, pois o cobre tem menos resistência e melhor resistência a curto-circuito em comparação ao alumínio da mesma seção transversal, embora custe de 10% a 20% a mais na parte ativa.
Sistema de Isolação e BIL
A isolação permite que o aparelho suporte surtos de comutação, tensão de frequência de potência e impulsos de raios. Unidades isoladas a óleo utilizam papéis de celulose enrolados em torno de seus condutores como barreiras; eles são imersos em óleo mineral. Em contraste, unidades do tipo seco empregam materiais isolantes feitos de vidro impregnado com epóxi ou mica. O principal parâmetro de isolamento é chamado de BIL (nível básico de isolamento), que representa a tensão de impulso máxima necessária para que uma máquina funcione corretamente. O BIL depende das classes de tensão: o BIL para unidades classificadas para operação de 12 kV é igual a 95 kV, sistemas classificados para 24 kV precisam de BIL de não menos que 125-170 kV, enquanto o BIL necessário para sistemas classificados para 36 kV pode variar entre 170 kV e 250 kV. As distâncias entre os enrolamentos de LV e HV, distâncias de contaminação para buchas e isolamento nas bordas das bobinas atendem aos requisitos de BIL. No entanto, aparelhos construídos com folgas de isolamento inferiores podem passar no teste de rotina, embora possam falhar no teste de impulso, portanto, os testes dielétricos descritos na IEC 60076-3 incluem testes de impulso para todas as unidades que podem suportar o nível de isolamento designado.
| Tensão do sistema HV | Requisito típico de BIL | Teste típico de frequência de potência |
|---|---|---|
| Classe de 12 kV | 95 kV | 28 kV |
| Classe de 17,5 kV | 125 kV | 38 kV |
| Classe de 24 kV | 125–170 kV | 50 kV |
| Classe de 36 kV | 170–250 kV | 70 kV |
| Classe de 52 kV | 250–325 kV | 95 kV |
Tanque, Buchas e Terminais
O tanque imerso em óleo é um recipiente metálico, que é equipado com um elemento de conservação soldado e um indicador de nível de líquido ou um hermeticamente selado com um colchão de gás. O tanque possui buchas de alta tensão, buchas de baixa tensão, o comutador de derivação, o indicador de temperatura do óleo, a válvula de alívio de pressão, bem como válvulas de drenagem e amostragem. Paredes corrugadas em forma de dardo, radiadores de resfriamento adicionais e placas de aletas são usados para resfriar o óleo. A construção adequada do tanque requer soldagem de costuras críticas em toda a extensão. Ele deve ser jateado com areia e pintado com um bom revestimento protetor. Finalmente, o tanque deve ser testado quanto à pressão interna para confirmar sua estanqueidade.
Comutadores de Derivação: Fora de Circuito e Sob Carga
O comutador de derivação altera a relação de espiras para lidar com variações de tensão na rede. A maioria dos transformadores delta-estrela de distribuição vem com um comutador de derivação fora de circuito com +/-2 x 2.5%, que pode ser operado apenas quando o transformador está desligado. Este dispositivo é apenas um mecanismo simples e confiável com marcações claras de várias posições. Transformadores maiores ou aqueles que operam em redes instáveis são equipados com um comutador de derivação sob carga (OLTC), que altera a derivação sob carga trabalhando através de uma câmara de arco em óleo (no caso de unidades preenchidas com óleo). Este mecanismo é muito mais complexo e geralmente aumenta o preço em 10-25% e requer alguma manutenção. Nos sistemas delta-estrela, as derivadas estão geralmente conectadas com o enrolamento delta HV, que tem uma corrente menor e um dever de comutação mais benigno.
Design do Sistema de Resfriamento
A quantidade de corrente que um dispositivo é capaz de transportar sem exceder os limites permissíveis de temperatura depende do resfriamento. Dispositivos resfriados a óleo utilizam o método ONAN, onde o óleo de resfriamento circula por convecção natural através de trilhos ou aletas. Acima de um nível de carga específico, o resfriamento forçado é utilizado (chamado de ONAF). Este método permite 20-33 %. O aumento de temperatura desse tipo de equipamento é projetado para ser em torno de 60-65 K, com a temperatura do ambiente de trabalho sendo 40°C. Para dispositivos do tipo seco, o resfriamento é realizado por métodos de ar natural (AN) e ar forçado (AF), onde uma determinada classe de temperatura é mantida proporcionando resfriamento.
| Classe de resfriamento | Descrição | Efeito de capacidade | Uso típico |
|---|---|---|---|
| ONAN | Imersão em óleo, convecção natural | Classificação da placa de identificação | Distribuição padrão |
| ONAF | Imersão em óleo, ventiladores de ar forçado | +20–33% | Alto fator de carga, locais quentes |
| OFAF | Óleo e ar forçados | +40–60% | Classificações de potência maiores |
| UM | Tipo seco, ar natural | Classificação da placa de identificação | Instalações internas |
| AF | Tipo seco, ar forçado | +20–30% | Carga de pico interna |
Como a construção afeta o desempenho e a confiabilidade
| Característica de construção | Efeito no desempenho |
|---|---|
| Núcleo GOES de alta qualidade, juntas chanfradas | Menor perda em vazio e corrente de magnetização |
| Enrolamentos de cobre, dimensionamento correto do condutor | Menor perda de carga, melhor resistência a curto-circuito |
| Reforço radial e axial apertado | Suporta forças de curto-circuito sem movimento dos enrolamentos |
| Espaçamentos de isolamento adequados e secagem | Passa em testes de impulso, sem falha de descarga parcial em serviço |
| Secagem a vácuo e impregnação em óleo | Remove a umidade, estende a vida útil do isolamento |
| Proteção contra corrosão no tanque | Longa vida útil em atmosferas costeiras e industriais |
A configuração do arranjo é confirmada durante os testes — a razão, grupo vetorial e o deslocamento de fase demonstram a correção do arranjo de conexão delta-estrela. No entanto, a eficiência ao longo do tempo é o resultado do sólido design do arranjo: uma operação de curto-circuito causa um impacto de curto-circuito, que é centenas de vezes mais forte do que o peso dos enrolamentos, e apenas o reforço correto torna possível continuar usando o transformador após a ocorrência de uma falha.
Como Avaliar a Qualidade da Construção ao Comprar
- Pergunte sobre o tipo de material do núcleo e as medições garantidas de perda em vazio com base no relatório de teste para validar com os preços da licitação.
- Verifique o tipo de material condutor. Se cobre ou alumínio é utilizado, isso impacta na perda, nas Classificações de Curto-Circuito e nos custos de operação; portanto, você precisa conhecer a seção transversal do condutor e a densidade de corrente.
- Verifique se o design de resistência a curto-circuito está em conformidade com a IEC 60076-5, com cálculos ou resultados de teste para as situações de falha declaradas.
- Examine o nível de isolamento. Confirme se o BIL corresponde à sua classe de tensão e se os testes de impulso estão incorporados nos testes de design.
- Verifique os desenhos para configurações de enrolamento, reforço, estrutura do tanque e layout de buchas no layout do equipamento antes da produção.
- Certifique-se de que você viu os testes. Para projetos de alta importância, solicite testes de rotina observados ou inspeção de terceiros – prontidão do contratante que envia um sinal de qualidade.
Principais Marcas e Faixas de Preço
| Marca | País | Força de construção | Faixa de preço indicativa (US$) |
|---|---|---|---|
| ABB | Suíça/Suécia | Design maduro, escopo completo de testes | $4.000–$60.000 |
| Siemens | Alemanha | Construção em conformidade com a IEC | $3.500–$55.000 |
| Schneider Electric | França | Especialização em resina fundida tipo seco | $3.000–$45.000 |
| Hitachi Energy | Suíça | Peças ativas de grau utilitário | $4,500–$70,000 |
| Eaton | EUA | Construções de distribuição da América do Norte | $2,500–$42,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Construção transparente, construções personalizadas | $3.000–$45.000 |
Os preços são indicativos das classificações de distribuição e dependem do grau do núcleo, condutor, BIL e acessórios. ABB, Siemens, Schneider Electric, Hitachi Energy e Eaton estabelecem a referência para construção e possuem desenhos e procedimentos de teste justos. A Jiangsu Subian Electric Power Co., Ltd atende compradores que exigem o mesmo método de construção por um preço menor — transformadores delta-estrela fabricados de acordo com as especificações IEC 60076 usando núcleos de alta qualidade orientados por grão, enrolamento de cobre, juntas chanfradas e passando por testes completos de fábrica cobrindo testes rotineiros como razão, grupo vetorial, impedância, perdas, desempenho dielétrico, e capazes de organizar testes ou inspeções testemunhadas por uma terceira parte. A Subian fornece desenhos e documentos de teste inestimáveis que oferecem uma análise detalhada da qualidade da construção, que é o que o cliente precisa para comparar um fabricante chinês com um europeu. Veja a capacidade de fabricação no site da Subian Electric.
Perguntas Frequentes
Por que o aço silício orientado por grão é utilizado nos núcleos de transformadores?
O processamento do aço orientado por grão permite que ele tenha propriedades magnéticas de primeira classe em uma direção — a direção de laminação. Ao projetar transformadores, os engenheiros orientam as lâminas de forma que o fluxo do campo magnético seja perpendicular a essa direção, o que leva a uma redução significativa da corrente de magnetização e da perda em vazio em comparação com o uso de aço não orientado. Juntas chanfradas corretamente implementadas, bem como um aperto firme, ajudam na eficiência e reduzem o ruído.
Como é fisicamente uma construção Dyn11?
As três bobinas de alta tensão estão dispostas em uma formação delta fechada no interior do tanque, enquanto as três bobinas de baixa tensão compartilham uma conexão neutra, que é levada para fora para dar origem a um quarto terminal externo. Uma vez que a bobina é vista externamente, nota-se que três buchas de HV e quatro terminais de LV (três linhas e neutro) são visíveis. A ordem de bobinagem em cada pessoa é LV-interna e HV-externa, onde o comutador de derivação está localizado no lado HV.
Os transformadores delta-estrela são imersos em óleo ou do tipo seco?
Ambos. As subestações de distribuição ao ar livre utilizam sistemas imersos em óleo devido à sua resistência e eficiência, enquanto as internas, subterrâneas e sensíveis ao fogo preferem sistemas de resina fundida do tipo seco. A conexão elétrica delta-estrela permanece a mesma em ambos, exceto pelos sistemas de isolamento e resfriamento.
Qual é a diferença entre enrolamentos de cobre e alumínio na construção?
O cobre tem resistividade mais baixa e maior resistência mecânica em comparação com o alumínio, assim a unidade com enrolamento de cobre tem perdas mais baixas e capacidade de curto-circuito ideal na mesma classificação de capacidade. A parte ativa de tal máquina custa cerca de 10%–20% a mais. O alumínio é usado principalmente por razões orçamentárias em máquinas de distribuição, que geralmente são analisadas em termos de seu custo inicial.
A Subian pode fornecer desenhos de construção antes do pedido?
Sim. A Jiangsu Subian Electric Power oferece desenhos de arranjo de elementos, diagramas de conexão, bem como informações relevantes sobre componentes-chave como parte de sua proposta técnica, enquanto os desenhos de fabricação finais também podem ser inspecionados antes da produção. Em caso de projetos importantes, a empresa pode organizar revisões de design pré-produção e testes conjuntos.
Referências
- IEC 60076-1 — Transformadores de Potência: Geral — o padrão regulador para classificação, perdas e requisitos de construção.
- IEC 60076-3 — Níveis de Isolamento e Testes Dieletricos — define os requisitos de BIL e testes dieletricos por classe de tensão.
- IEC 60076-5 — Capacidade de Suportar Curto-Circuito — o padrão para verificação da resistência ao curto-circuito da construção do enrolamento.
- NEMA TP-1 — Eficiência Energética para Transformadores de Distribuição — referência de eficiência ligada à qualidade da construção do núcleo.
- Hitachi Energy — Produtos de Transformadores — documentação de referência sobre construção e testes de um fabricante líder.
- UL 1561 — Padrão de Segurança para Transformadores de Tipo Seco — padrão de segurança relevante para construção em resina fundida.
Conclusão
De acordo com as características de design dos transformadores delta-wye, não é principalmente a placa de identificação que revela características como eficiência, ruído, tolerância a falhas e vida útil do transformador, mas sim as características de construção desse transformador, que incluem grau de aço do núcleo, juntas em ângulo, condutor de enrolamento e arranjo, folgas de isolamento, reforço, tanque, chave de derivação e resfriamento. Ao ler uma proposta com esses parâmetros em mente e entrar no processo de licitação, as propostas se tornam comparáveis, não em termos de preço, mas em relação ao mérito. É necessário seguir o princípio de solicitar evidências de teste IEC 60076 e, se necessário, um teste testemunhado. Transformadores delta-wye da Jiangsu Subian Electric Power são construídos a partir de materiais transparentes e atendem a todos os padrões. Revise os desenhos de construção e os dados de teste com a equipe através do site oficial antes de se comprometer com seu próximo projeto.