Uma vez que você abre um transformador de distribuição, as únicas coisas que você verá dentro são metais (aço, alumínio ou cobre), papel, óleo, porcelana, etc. Você também verá alguns dispositivos que servem apenas para proteger o transformador de qualquer coisa que possa dar errado com ele. Se você considerar transformadores que duram trinta anos e aqueles que quebram após quatro, deve-se notar que os elementos de construção dessas duas máquinas não diferem, mas o que realmente altera é a qualidade de seus elementos de construção e sua precisão de medição. O guia que você vai ler lhe dirá o que você encontrará em um transformador e quais funções todos esses elementos desempenham. Você também conhecerá os fatores de satisfação das compras de transformadores, bem como como determinar se um transformador foi mal feito ou é de alta qualidade.
Dentro de um transformador, há um núcleo de aço laminado, um enrolamento de baixa tensão e um enrolamento de alta tensão, bem como um sistema de isolamento composto por papel, placa prensada e óleo (o tipo seco usa resina epóxi em vez de óleo). O comutador de derivação do transformador mostra condutores através do tanque. Um radiador é parte do tanque, há um conservatório com um respirador de gel de sílica, há um relé Buchholz, um sistema de liberação de pressão, bem como termômetros. É o núcleo que determina as perdas em vazio, os enrolamentos determinam as perdas em carga e a resistência a curto-circuito; o isolamento determina a vida útil do transformador e os acessórios mostram a condição do fabricante.
Os Seis Sistemas Dentro de um Transformador
Usar a abordagem de pensamento sistêmico é benéfico para entender o restante do artigo porque tem uma operação única e uma maneira específica de realizar testes.
- O sistema do ímã inclui o núcleo laminado, que desempenha a função de transferência de energia e conversão da tensão.
- O sistema elétrico consiste nos enrolamentos de baixa e alta tensão, suas conexões e as conexões que estão sendo feitas dentro deles.
- A função dielétrica é prevenir o fluxo de corrente elétrica e manter as propriedades dielétricas.
- O sistema mecânico consiste no mecanismo para pressionar o núcleo, a estrutura do enrolamento e o tanque com os enrolamentos.
- A função de transferência de calor consiste nos dispositivos de resfriamento, ventiladores, o sistema de circulação de óleo e dispositivos de medição de temperatura.
- Os sistemas de controle e proteção consistem em relés Buchholz, sensores de pressão, temperatura e análise de gás.
O Núcleo: Onde as Perdas em Vazio São Decididas
O núcleo é feito de uma série de peças finas de aço empilhadas umas sobre as outras que são quase sempre feitas de aço silício orientado a grão, CRGO. A orientação do grão é importante porque o fluxo magnético vai na direção da laminação, que corresponde à forma como o núcleo é fabricado. O teor de silício, que varia entre 3 e 4%, aumenta a resistividade, permitindo a supressão de correntes parasitas, e a espessura da laminação faz o restante do trabalho.
| Propriedade | O que você verá em uma especificação |
|---|---|
| Espessura da laminação | 0,23 mm, 0,27 mm ou 0,30 mm, ocasionalmente 0,35 mm |
| Grau | M3 / M4 / M5 convencional, ou graus de alta indução como 23HP85 |
| Perda no núcleo | 0,85 a 1,40 W/kg a 1,7 T, 50 Hz, dependendo do grau |
| Fator de empilhamento | 95% a 98% |
| Tipo de junta | Junta em degrau, com bisel de 45°, com rebarba mantida entre 10 a 20 µm |
| Revestimento de superfície | Revestimento de isolamento C5 ou C6 conforme IEC 60404-1 |
Duas linhas são de importância comercial. Em termos de perdas no núcleo, podemos dizer que a transição de um núcleo de uso geral de aproximadamente 1,30 W/kg para uma espessura de 0,30 mm para um núcleo de alta qualidade de 0,85 W/kg para uma espessura de 0,23 mm resulta em uma redução de um terço da perda em vazio em um transformador. Um transformador que funciona 8.760 horas por ano se beneficia muito da diferença, embora isso não possa ser visto do lado de fora do tanque.
Outra linha importante está relacionada à junta. Uma junta em degrau com rebarba minimizada facilita a redução do espaço que significa menor corrente de excitação, ruído, bem como perdas indesejadas. O desempenho de um núcleo feito com uma junta em topo e corte áspero, no entanto, parece o mesmo, mas é consideravelmente pior.
Os Enrolamentos: Cobre, Alumínio e as Juntas Entre
Transformadores de distribuição são projetados de tal forma que o enrolamento de baixa tensão (LV) é colocado mais próximo do núcleo e o enrolamento de alta tensão (HV) está situado mais longe, o que serve para economizar espaço de isolamento entre o enrolamento e o núcleo e facilitar a captação do enrolamento. O enrolamento é feito de cobre ou alumínio na forma de fio redondo ou plano.
A razão por trás dessa substituição é bastante simples, embora frequentemente mal interpretada. A condutividade elétrica do cobre é 100% IACS, a condutividade do alumínio é em torno de 61%, o que significa que, para fazer um enrolamento de alumínio com a mesma resistência, ele deve ser aproximadamente 1,6 vezes maior em seção transversal. Como o alumínio também é muito mais leve, o enrolamento final é significativamente mais leve e um transformador totalmente de alumínio pesa muito menos que seu equivalente de cobre com as mesmas especificações. Essa diferença de peso é um dos testes de campo mais rápidos para os compradores.
A principal coisa que muda não é a eficácia de um dispositivo devidamente construído, que varia apenas algumas décimas de porcentagem em plena carga, mas as juntas. A junta entre o enrolamento de alumínio e cobre ou dois enrolamentos de alumínio deve ter seu revestimento de óxido removido e selado, caso contrário, causará problemas de aquecimento. É considerado uma prática padrão hoje em dia usar revestimento de estanho, placas de transição bimetálicas, soldagem ultrassônica e, se o orçamento permitir, usar uma classe de isolamento mais alta no design do dispositivo para garantir a confiabilidade térmica do design do dispositivo.
Para unidades de distribuição imersas em óleo na faixa de 11 kV a 33 kV, esta é a parte do design onde uma proposta baixa geralmente aparece primeiro, e vale a pena ler a descrição do próprio fornecedor de sua gama de transformadores de distribuição imersos em óleo antes de comparar preços, porque a redação em torno do material do enrolamento e do método de junta raramente é acidental.
Isolamento e Óleo: As Partes Que Falham Lentamente
O material isolante de um transformador é a combinação de papel kraft e papel prensado tratados com óleo, e a expectativa de vida depende da temperatura e do teor de umidade. Esta é praticamente toda a história da confiabilidade em uma linha.
O papel não falha abruptamente. Ele se depolimeriza, resultando na perda de resistência mecânica, e o grau de polimerização diminui de 1.000 do papel novo para 200 ou menos no final da vida útil. Os produtos de envelhecimento incluem compostos de furanos, e por essa razão, a análise de furanos é realizada como indicador de fim de vida, além da água que processa.
O óleo desempenha três funções ao mesmo tempo: isolamento, transferência de calor do enrolamento para os radiadores e relatório de condição. O novo óleo mineral deve ter a tensão de ruptura de pelo menos 30 kV testada em uma distância de 2,5 mm, e um nível de umidade de dezenas de partes por milhão pode reduzir esse valor pela metade. Por essa razão, o teste de óleo é a forma mais barata de diagnóstico, e é assim que o transformador que tem uma pintura bonita e óleo úmido ainda pode falhar.
No caso de uma unidade do tipo seco, o sistema dielétrico é diferente, e o modo de falha também muda. A moldagem em epóxi dos enrolamentos é feita com o limite de descarga parcial geralmente em 10 pC ou menos, de acordo com a IEC 60076-11, e mesmo uma moldagem com vazios pode passar no teste de frequência de potência, mas ainda assim irá descarregar durante a operação até que ocorra rastreamento.
O Mudador de Tom
Transformadores de distribuição geralmente utilizam um mudador de tom fora de circuito, que é um tipo de interruptor manual que modifica o tratamento dos enrolamentos de alta tensão do transformador em alguns passos, que geralmente são iguais a cerca de ±5% em passos de cerca de 2.5%. O mudador de tom é ajustado na fase de comissionamento para corresponder à tensão efetiva em termos gerais, de modo que esteja coberto e não precise de manutenção.
Transformadores projetados para aplicações maiores e do tipo transmissão são projetados para usar o tipo de mudador de tom sob carga, que permite mudar os pontos do transformador com a tensão passando pelo mudador de tom. A diferença na carga de manutenção é substancial, e isso é abordado nesta explicação do mudador de tom sob carga e o que ele faz.
Uma observação prática: as reclamações de “baixa tensão na extremidade distante do alimentador” são frequentemente devido a um mudador de tom que foi deixado na posição errada e esta deve ser a primeira verificação a ser feita antes de culpar a concessionária.
Tanque, Conservador, Desumidificador e o Relé Buchholz
Além de armazenar óleo, o tanque também abriga a parte do núcleo e do enrolamento do transformador, protege contra falhas internas, fornece uma superfície de resfriamento e suporta buchas e acessórios.
A área de resfriamento é fornecida por radiadores ou chapas corrugadas com ventiladores instalados para resfriamento forçado em uma unidade maior. Acima do tanque, há um conservador que é um pequeno tanque que contém o volume da expansão do óleo. O conservador garante que o tanque principal esteja cheio e que os isoladores e o topo do enrolamento estejam imersos em óleo na faixa de temperatura de -20 °C a + 50 °C.
O desumidificador está situado no final da cadeia. Ele consiste em gel de sílica que absorve a umidade do ar que preenche o tanque quando o óleo esfria. A mudança de azul para rosa é provavelmente o único sinal da condição do óleo.
O relé Buchholz é um elemento do pipeline entre o tanque e o conservador. Os relés têm duas partes: uma que reage ao acúmulo lento de gás e a segunda que reage ao surto de óleo para o conservador quando a onda de pressão causada pela falha ocorre. Como o desumidificador e o relé trabalham juntos é descrito nesta nota sobre as funções principais do desumidificador e do relé de gás..
O dispositivo de alívio de pressão é a última linha. Se um arco gerar gás mais rápido do que o Buchholz pode reagir, o PRD se levanta e ventila, idealmente longe de onde as pessoas estão.
Buchas e Caixas de Cabos
A bucha serve como uma parte que permite que a corrente entre em um tanque aterrado sem causar arco elétrico. É um tipo especial de isolador; é feita de papel saturado em óleo em porcelana para a média tensão e é equipada com um núcleo de condensador que equaliza o campo elétrico entre o condutor e a flangem. É feita de porcelana ou epóxi no lado de baixa tensão, enquanto uma caixa de cabos com separação de fase também pode ser instalada.
As buchas podem realmente falhar com mais frequência do que se imagina, e as razões são tediosas, problemas como porcelana rachada, juntas desgastadas, terminais apertados demais e orifícios de respiração bloqueados. Verifique a bucha primeiro ao fazer a inspeção do transformador, pois uma rachadura fina é fácil de detectar e consertar, enquanto o arco elétrico não é.
O que muda em um transformador de tipo seco
No caso de um transformador seco, não haverá óleo, conservador, respirador ou relé Buchholz utilizado e o ar, assim como o isolamento sólido, ocupará a posição do dielétrico. As bobinas são impregnadas e encapsuladas por fundição de epóxi, enquanto o empilhamento CRGO atua como núcleo.
É apenas uma questão de compensação. Você se livra da carga de incêndio do óleo e da manutenção do transformador a óleo, razão pela qual essas unidades são instaladas em edifícios, hospitais, túneis e centros de dados. Mas elas vêm com o preço de serem mais sensíveis à umidade e sujeira, pois o ar tem uma resistência dielétrica menor do que o óleo e a superfície suja da bobina tem o risco de se tornar um caminho de fuga. A classe de isolamento vai até F ou H, enquanto o sistema de resfriamento se torna AN ou AF e o teste de descarga parcial é de extrema importância.
Se a aplicação for interna e o risco de incêndio dominar, a especificação parece bastante diferente de uma unidade a óleo, e esta visão geral de transformadores de distribuição de tipo seco cobre as classes e códigos de resfriamento em mais detalhes.
Como julgar um transformador pelo que está dentro
Você não pode ver dentro de um tanque selado, e não precisa. Sete pontos de verificação cobrem a maior parte do risco.
| Ponto de verificação | O que perguntar | Como é uma resposta ruim |
|---|---|---|
| Grau do núcleo | Certificado de teste de fábrica nomeando o grau e a espessura | “Aço silício de alta qualidade” sem grau |
| Material da bobina | Método de condutor e junção declarado, além da massa da unidade | Silêncio sobre a junção, ou massa bem abaixo dos pares |
| Teste de perda | Perda medida em vazio e carga em relação aos valores garantidos | Apenas números garantidos, sem medição |
| Resistência a curto-circuito | Relatório de teste conforme IEC 60076-5, ou um cálculo de projeto | A alegação de que o teste é “desnecessário” |
| Aumento de temperatura | Resultado de teste de tipo conforme IEC 60076-2 | Um número calculado apresentado como medido |
| Condição do óleo | Tensão de ruptura e umidade na expedição | Nenhum teste de óleo em uma unidade a óleo |
| Descarga parcial | Medição de PD de rotina, especialmente em tipo seco | “PD não é necessário para esta classe” |
A importância da medição de perdas é enfatizada. De acordo com a IEC 60076-1, as perdas totais máximas permitidas somam +15%, o que significa que o projeto que atende a esse requisito é mais caro do que aquele que foi projetado com base no nível médio de perdas. Portanto, é aconselhável solicitar os valores reais em vez de garantias e realizar a comparação entre diferentes ofertas. Os métodos de teste em si são abordados neste guia para testar um transformador.
O Que Você Não Pode Ver, e Deve Pedir
Três constituintes invisíveis são um fator decisivo para a vida do tanque. Eles são a fixação do núcleo, o reforço do enrolamento e a secura do isolamento na vedação.
A condição de fixação do núcleo pode ser estimada a partir do ruído e das leituras de corrente em vazio. Se as lâminas não estiverem ajustadas firmemente, o ruído crescerá progressivamente. O reforço do enrolamento pode ser avaliado com a ajuda de testes de curto-circuito. Isso torna o teste de tipo realizado para os protótipos uma informação mais valiosa do que uma pilha de certificados de qualidade não relacionados. A secura do isolamento só pode ser observada alguns anos após o processo de vedação do tanque.
Você deve solicitar fotografias do núcleo e do enrolamento antes do enchimento do tanque, os dados de pressão de fixação do núcleo e as informações de vácuo e enchimento de óleo. A empresa que realiza as operações mencionadas acima fornecerá as informações necessárias sem hesitação. Se a empresa não puder ou não quiser fornecê-las, mudará para um tópico completamente diferente.
Perguntas Frequentes
Quais são as principais partes dentro de um transformador?
Temos os seguintes componentes: núcleo, enrolamento de baixa tensão, enrolamento de alta tensão, isolamento, como papel, papelão prensado e óleo, ou isolamento epóxi em tipos de transformadores secos, comutador de derivação, buchas, tanque, radiadores, conservador, desumidificador, relé Buchholz, dispositivo de alívio de pressão e termômetros. Em transformadores maiores, também temos CTs de bucha e sensores de monitoramento.
Por que o núcleo é laminado em vez de sólido?
Para interromper o caminho das correntes parasitas. Um núcleo de aço sólido permitiria que correntes circulantes significativas fluíssem através do metal, aquecendo-o e desperdiçando energia. Camadas finas, isoladas umas das outras por uma camada de revestimento isolante, restringem essas correntes em pequenos laços, diminuindo assim significativamente as perdas.
Como posso saber se um transformador é enrolado em cobre ou alumínio?
Investigue a massa da unidade com unidades comparáveis de diferentes fabricantes, verifique a placa de dados e o relatório de teste, e solicite confirmação por escrito do material do enrolamento. Um enrolamento de alumínio exigirá um tamanho de condutor 1,6 vezes maior, além de permitir que a unidade atinja um peso menor. Observe que a verificação física só pode ocorrer em uma unidade quebrada ou desmontada.
Para que serve o óleo dentro de um transformador?
Existem três aspectos: isolamento, transferência de calor dos enrolamentos para os radiadores e monitoramento da condição. A tensão de ruptura do óleo e o nível de umidade são as duas principais medidas que fornecem informações sobre a condição de equipamentos imersos em óleo.
Referências
- Rex Power Magnetics — O Que Há Dentro de um Transformador de Potência
- Daelim Transformer — Dentro do Transformador
- Alta Para Baixa Tensão — Guia de Peças do Transformador
- Reinhausen — Mudadores de Tap On-Load e Monitoramento de Transformadores
- Nynas — Tecnologia e Teste de Óleo de Transformador
Conclusão
A transferência de potência é feita através do aço, condutor, papel, óleo e alguns dispositivos de proteção que são parte do transformador. Existem poucos tipos de componentes que são comuns em transformadores. A diferença é feita pelo tipo de aço utilizado, medições precisas das perdas, qualidade das juntas e se a unidade estava seca ao ser selada. Envie informações sobre o pedido, processo e perdas e nós enviaremos todas as especificações dos transformadores, incluindo grau de revestimento e especificações de enrolamento, não apenas o preço.