Causas e Soluções para Alta Taxa de Falhas em Transformadores de Distribuição

1. Causas de Falha em Transformadores de Distribuição Agrícola

(1) Dano na Isolamento

O fornecimento de energia rural geralmente utiliza sistemas de fornecimento misto de 380/220V. Devido à alta proporção de cargas monofásicas, os transformadores de distribuição frequentemente operam sob um desequilíbrio significativo de carga trifásica. Em muitos casos, o desequilíbrio excede o intervalo permitido especificado nos padrões, causando envelhecimento prematuro, deterioração e falha no isolamento dos enrolamentos do transformador, levando eventualmente ao sobreaquecimento.

Quando os transformadores de distribuição experimentam condições prolongadas de sobrecarga, falhas nas linhas de baixa tensão ou aumentos súbitos e significativos de carga, danos podem ocorrer devido à falta de proteção adequada. A ausência de dispositivos de proteção no lado de baixa tensão, combinada com fusíveis de queda de tensão no lado de alta tensão que não operam de maneira oportuna (ou que não operam), permite que os transformadores conduzam correntes muito superiores aos seus valores nominais (às vezes várias vezes o valor nominal). Isso causa aumentos drásticos de temperatura, acelerando o envelhecimento do isolamento e levando ao sobreaquecimento dos enrolamentos.

Após operação prolongada, componentes de vedação, como contas de borracha e juntas, se deterioram, racham e falham. Se não forem detectados e substituídos prontamente, isso leva a vazamento de óleo e declínio nos níveis de óleo. A umidade do ar então entra em grande quantidade no óleo isolante, reduzindo drasticamente sua resistência dielétrica. Uma deficiência grave de óleo pode expor o reator de derivação ao ar, causando absorção de umidade, descargas, curtos-circuitos e falha do transformador.

Defeitos de fabricação também contribuem para as falhas. Processos de produção inadequados, impregnação incompleta de camadas de enrolamento com verniz isolante (ou verniz isolante de má qualidade), secagem insuficiente e soldagem confiável de junções de enrolamento podem criar vulnerabilidades no isolamento. Além disso, adicionar óleo isolante de baixa qualidade durante a manutenção ou permitir que a umidade e impurezas entrem durante os reparos degrada a qualidade do óleo e a resistência do isolamento, eventualmente causando a quebra do isolamento e a falha do transformador.

(2) Sobretensão

A proteção contra raios frequentemente falha devido a valores de resistência de aterramento que não atendem aos requisitos. Mesmo quando inicialmente compatíveis, os sistemas de aterramento podem se deteriorar ao longo do tempo devido à corrosão, oxidação, ruptura ou soldas inadequadas, causando aumentos dramáticos na resistência de aterramento e tornando os transformadores vulneráveis a danos por raios.

Uma configuração inadequada de proteção contra raios é comum. Muitos transformadores de distribuição agrícola têm pararaios instalados apenas no lado de alta tensão. Como o fornecimento de energia rural usa predominantemente transformadores conectados Yyn0, os raios podem gerar tanto sobretensões de transformação direta quanto inversa. Sem proteção contra surtos no lado de baixa tensão, os transformadores ficam significativamente mais suscetíveis a danos por essas sobretensões.

Os sistemas de energia de 10kV rurais frequentemente experimentam ressonância ferromagnética. Durante eventos de sobretensão de ressonância, a corrente primária dos transformadores de distribuição pode aumentar dramaticamente, queimando os enrolamentos ou causando flashover e até explosão dos terminais.

(3) Condições Operacionais Ruins

Durante períodos de altas temperaturas no verão ou quando os transformadores operam continuamente sob condições de sobrecarga, as temperaturas do óleo aumentam excessivamente. Isso afeta severamente a dissipação de calor e acelera o envelhecimento, a deterioração e a falha do isolamento, encurtando significativamente a vida útil do transformador.

(4) Operação Inadequada ou Qualidade Inferior do Reator de Derivação

O consumo de eletricidade rural apresenta cargas dispersas, padrões sazonais fortes, grandes diferenças entre picos e vales, linhas de baixa tensão longas e quedas significativas de tensão, resultando em flutuações substanciais de tensão. Isso leva a ajustes frequentes de reatores de derivação pelos eletricistas rurais. A maioria desses ajustes não segue procedimentos adequados, e os valores de resistência DC não são medidos e comparados após a operação antes de retornar ao serviço. Consequentemente, muitos transformadores falham devido a posicionamento inadequado do reator de derivação, contato ruim, aumento da resistência de contato e queima do reator de derivação.

Reatores de derivação de baixa qualidade com contato estático e dinâmico inadequado, ou indicadores de posição incompatíveis (onde as marcações externas não correspondem às posições internas reais), podem causar descargas e acidentes de curto-circuito após a comissão, resultando em danos ao reator de derivação ou aos enrolamentos inteiros.

(5) Problemas de Aterramento do Núcleo do Transformador

Problemas de qualidade em transformadores de distribuição podem causar o envelhecimento prematuro do verniz isolante entre as chapas de aço silício durante a operação de longo prazo, resultando em aterramento múltiplo do núcleo e falha do transformador.

(6) Operação Contínua Sob Sobrecarga

Com o desenvolvimento econômico rural, a demanda por eletricidade aumentou dramaticamente. No entanto, a adição insuficiente de novos transformadores ou a substituição por unidades de maior capacidade forçou os transformadores existentes a operarem continuamente sob condições de sobrecarga. Além disso, a alta proporção de cargas monofásicas em áreas rurais torna difícil alcançar o equilíbrio de carga trifásica, fazendo com que certas fases experimentem sobrecarga severa de longo prazo, enquanto as correntes na linha neutra excedem significativamente os valores permitidos. Essas condições levam eventualmente ao sobreaquecimento do transformador.

2. Medidas Corretivas

De acordo com os padrões relevantes, cada transformador de distribuição deve ter três proteções fundamentais: proteção contra raios, proteção contra curto-circuito e proteção contra sobrecarga.

Para a proteção contra raios, pararaios devem ser instalados tanto no lado de alta tensão quanto no lado de baixa tensão do transformador, sendo os pararaios de óxido de zinco a opção preferida.

As proteções contra curto-circuito e sobrecarga devem ser consideradas separadamente. Os fusíveis de queda do lado de alta tensão devem proteger principalmente contra falhas de curto-circuito internas no transformador, enquanto as condições de sobrecarga e os curtos-circuitos na linha de baixa tensão devem ser tratados por disjuntores ou fusíveis instalados no lado de baixa tensão.

Durante a operação, as correntes de fase de carga devem ser monitoradas regularmente com ampêmetros para verificar se o desequilíbrio de carga trifásica permanece dentro dos limites permitidos. Quando um desequilíbrio excessivo é detectado, é necessário uma redistribuição imediata da carga para trazer o desequilíbrio dentro dos limites padrão.

A inspeção e teste regulares de transformadores de distribuição de acordo com cronogramas prescritos são essenciais. Os inspetores devem verificar a cor, o nível e a temperatura do óleo para normalidade, e procurar vazamentos de óleo. As superfícies dos encaixes devem ser examinadas em busca de marcas de flashover ou descargas. Quaisquer anomalias devem ser abordadas imediatamente. A limpeza periódica das partes externas do transformador para remover sujeira e contaminantes dos encaixes e outras superfícies também é recomendada.

Antes de cada temporada de tempestades anual, deve-se realizar uma inspeção minuciosa tanto dos parafusos de proteção contra surtos de alta e baixa tensão quanto dos condutores de aterramento. Os parafusos de proteção não conformes devem ser substituídos. Os condutores de aterramento devem estar livres de fios quebrados, soldas inadequadas ou interrupções. Nunca devem ser usados condutores de alumínio para aterramento; em vez disso, recomenda-se o uso de barras de aço de 10-12mm de diâmetro ou tiras de aço plano de 30×3mm.

A resistência de aterramento deve ser testada anualmente durante o inverno, sob condições climáticas favoráveis (pelo menos uma semana de tempo claro contínuo). Sistemas de aterramento não conformes devem ser remediados.

As conexões entre os terminais do transformador e os condutores de linhas aéreas nos lados de alta e baixa tensão devem usar componentes de transição cobre-alumínio ou grampos de equipamento cobre-alumínio. Antes da conexão, as superfícies desses componentes devem ser polidas com lixa de grão fino e revestidas com uma quantidade apropriada de graxa condutora.

Ao operar os reatores de derivacão do transformador, os procedimentos devem ser estritamente seguidos. Após o ajuste, o transformador não deve ser imediatamente retornado ao serviço. Em vez disso, os valores de resistência DC de cada fase devem ser medidos com uma ponte antes e após a operação e comparados. Se nenhuma mudança significativa for observada, os valores de resistência DC pós-operacional fase-fase e linha-linha devem ser comparados, com diferenças de fase não excedendo 4% e diferenças de linha menores que 2%. Se esses critérios não forem atendidos, a causa deve ser identificada e corrigida. Somente após atender a esses requisitos, o transformador deve ser retornado ao serviço.