Proves de rendiment tèrmic i mecànic de transformadors de distribució: assegurant la fiabilitat i la llargada de vida

Introducció

En el complexe paisatge de la distribució d'energia, els transformadors de distribució juguen un paper crucial. Aquests transformadors es responsabilitzen de reduir la tensió des dels nivells primaris de distribució fins a les tensions adequades per als usuaris finals. El seu funcionament correcte és essencial per mantenir una xarxa d'energia estable i eficient. Aquest article s'adentra en dos aspectes essencials de l'avaluació dels transformadors de distribució: la prova de rendiment tèrmic i la prova de rendiment mecànic, així com també explora com prevenir interrupcions de servei i gestionar variacions de tensió.

Prova de Rendiment Tèrmic dels Transformadors de Distribució

La Importància de la Inspecció Tèrmica

Els transformadors de distribució generen calor durant la seva operació. La calor es produeix principalment degut a les pèrdues de bobinat i la histeresis del nucli dins d'aquests transformadors. L'acumulació incontrolada de calor en els transformadors pot portar a la degradació de l'aïllament, accelerar el procés d'envejeciment dels transformadors i posar un risc significatiu de fallades catastròfiques. Per tant, les inspeccions tèrmiques regulars dels transformadors són de vital importància. Aquestes inspeccions, que inclouen la monitorització de la temperatura i la detecció de punts calents en els transformadors, actuen com a sistemes d'avís prèvi. Identificant les anomàlies tèrmiques en els transformadors de manera oportuna, els tècnics poden prevenir avaries i assegurar una distribució ininterrompuda d'energia a través de la xarxa de distribució.

Components Clau de les Proves Tèrmiques per als Transformadors

Diverses proves formen la base de les inspeccions de rendiment tèrmic per als transformadors de distribució:

• Prova de Pujada de Temperatura: Aquesta inspecció fonamental per als transformadors mesura l'augment de temperatura en els bobinats i l'oli dels transformadors sota càrrega nominal. Les desviacions respecte als estàndards establerts en els transformadors indiquen possibles problemes com un refredament ineficient o problemes de resistència interna. Aquests resultats provoquen una inspecció més detallada de components com els ventiladors de refredament, les ales o els nivells de refrigerant en els transformadors.

• Inspecció de Imatge Tèrmica: En aquesta tècnica d'inspecció no invasiva per als transformadors, s'utilitzen càmeres infrarojos. Aquestes cartografien les temperatures de superfície dels transformadors, destacant punts calents ocults, que podrien ser deguts a connexions suaus o ductes obstruïdes dins dels transformadors. Això permet reparacions dirigides en els transformadors abans que es produeixi daños en l'aïllament.

• Anàlisi de la Temperatura de l'Oli: L'amostreig i la prova de la viscositat i el contingut d'àcid de l'oli del transformador proporcionen informació sobre els nivells de stress tèrmic experimentats pel transformador. Un augment de l'aciditat de l'oli del transformador indica un calentament excessiu, provocant una inspecció de les fonts de calor i mecanismes de refredament dins dels transformadors.

Protocols i Estàndards d'Inspecció per als Transformadors

Estàndards com l'IEEE C57.12.90 i l'IEC 60076 ordenen inspeccions tèrmiques sistemàtiques dels transformadors. Durant les proves, els tècnics simulen condicions de càrrega màxima en els transformadors mentre monitoritzen de prop les gradiacions de temperatura. Per exemple, una inspecció de pujada de temperatura en els transformadors requereix estabilitzar els transformadors durant diverses hores abans de registrar les lectures. La documentació detallada de cada inspecció dels transformadors, inclosos les condicions ambientals, la durada de les proves i els perfils tèrmics, facilita l'anàlisi de tendències dels transformadors a llarg termini.

Frequència i Estratègies Adaptatives per a les Inspeccions dels Transformadors

La freqüència de les inspeccions tèrmiques dels transformadors depèn de diversos factors com la variabilitat de la càrrega i les condicions ambientals. Els transformadors de distribució en àrees urbanes amb càrregues fluctuants poden requerir inspeccions mensuals, mentre que els de zones rurals podrien bastar amb controls trimestrals. En climes cálids, els intervals entre inspeccions tèrmiques dels transformadors es redueixen per contrarestar els efectes del stress tèrmic. Sistemes avançats de monitorització ara permeten inspeccions tèrmiques contínues dels transformadors mitjançant sensors embebuts, que transmeten dades en temps real dels transformadors als centres de control.

Superar els Desafiaments d'Inspecció en els Transformadors

Les inspeccions tèrmiques dels transformadors enfronten certs desafiaments. Notablement, es poden produir falsos positius degut a pics de càrrega transitoris en els transformadors. Per mitigar això, els tècnics correlacionen les dades tèrmiques amb paràmetres elèctrics, com els corrents de càrrega en els transformadors. Addicionalment, accedir a components difícilment accessibles, com els bobinats interns dels transformadors, requereix una especialització específica. Algunes inspeccions dels transformadors requereixen buidar l'oli, necessitant una estricta adhesió a protocols de seguretat meticulosos. La calibració regular dels sensors tèrmics dels transformadors assegura resultats d'inspecció precisos.

Integració de la Inspecció Tèrmica amb la Manteniment dels Transformadors

Les inspeccions tèrmiques dels transformadors serveixen com a pont entre la recol·lecció de dades i les accions de manteniment. Un informe d'inspecció complet dels transformadors, que marca punts calents, inefficiències de refredament o degradació de l'oli, guia les intervencions immediates. Per exemple, si una inspecció de imatge tèrmica revela una aleta de refredament obstruïda en un transformador, la neteja o substitució es converteix en prioritari. Incorporant les inspeccions tèrmiques en els horaris de manteniment preventiu dels transformadors, els operadors poden ampliar la vida útil dels transformadors i reduir les vulnerabilitats de la xarxa.

Prova de Rendiment Mecànic dels Transformadors de Distribució

La Indispensabilitat de la Inspecció Mecànica per als Transformadors

Els transformadors de distribució estan exposats a stresses mecànics durant tota la seva vida útil. Els defectes elèctrics poden generar forces electromagnètiques intensives que poden distorsionar els bobinats dels transformadors. A més, l'activitat sísmica o el tractament brusc durant el transport poden enderrocar components interns dels transformadors. Les inspeccions mecàniques regulars, que van des de controls visuals a proves dinàmiques dels transformadors, són essencials per detectar flaws ocults. Identificant debilitaments mecànics precocis en els transformadors, els operadors poden protegir-se contra avaries súbites que podrien interrompre el subministrament d'energia i perillar la infraestructura general que depèn d'aquests transformadors.

Components Clau de Proves Mecàniques per als Transformadors

Diverses proves són integrals a les inspeccions de rendiment mecànic dels transformadors de distribució:

• Prova d'Impuls de Curtcircuí: Aquesta inspecció simula condicions de defecte per avaluar la capacitat dels transformadors per resistir forces electromagnètiques. Les desviacions en la impedància o el desplaçament del bobinat en els transformadors indiquen stress mecànic, provocant una inspecció de les estructures de fixació i els suports dins dels transformadors.

• Inspecció d'Anàlisi de Vibracions: Es fan servir sensors per monitoritzar les vibracions durant l'operació dels transformadors. Les freqüències anòmaltes detectades en els transformadors indiquen problemes com parts suaus, nuclis mal alineats o ventiladors de refredament danysats. Aquest mètode d'inspecció no invasiu ajuda els tècnics a localitzar i corregir problemes mecànics en els transformadors abans que esdevenin crítics.

• Prova d'Impacte Mecànic: Aplicada durant el procés de fabricació o després del transport dels transformadors, aquesta prova avaluua la resiliència dels transformadors a impactes. Les proves de caiguda o simulacions sísmiques revelen vulnerabilitats en components com el tanque, les bornes o les connexions terminals dels transformadors, provocant inspeccions de joints crítics.

Protocols i Estàndards d'Inspecció per als Transformadors

Estàndards com l'IEEE C57.12.90 i l'IEC 61378 ordenen inspeccions mecàniques rigoroses dels transformadors. Durant les proves, els tècnics segueixen procediments precisos. Per exemple, les proves de curtcircuí en els transformadors requereixen injeccions de corrent controlades mentre es monitoritza de prop les respostes mecàniques dels transformadors. La documentació detallada de cada inspecció dels transformadors, inclosos els paràmetres de prova, les deformacions observades i les recomanacions de reparació, construeix un registre històric per a futurs anàlisis dels transformadors.

Frequència i Adaptació Contextual per a les Inspeccions dels Transformadors

La freqüència de les inspeccions mecàniques dels transformadors varia basant-se en escenaris d'ús. Els transformadors de distribució en regions propens a terremots poden passar per inspeccions de vibracions trimestrals, mentre que els en entorns estables podrien bastar amb controls anuals. Els transformadors novament instal·lats sovint reben inspeccions immediates post-transport per verificar-ne la integritat. Sistemes avançats de monitorització ara permeten inspeccions mecàniques contínues dels transformadors mitjançant gauges de tracció i acceleròmetres embebuts.

Superar els Desafiaments d'Inspecció en els Transformadors

Les inspeccions mecàniques dels transformadors tenen les seves pròpies complexitats. Detectar danys interns sense desmontar els transformadors és un obstàcle significatiu. Algunes inspeccions, com la prova ultrasònica per a fractures ocultes en els transformadors, requereixen una especialització específica. A més, diferenciar l'us normal de la degradació anormal en els transformadors demana experiència. Per afrontar aquests desafiaments, els tècnics combinen múltiples mètodes d'inspecció, com l'anàlisi de vibracions amb controls visuals, i utilitzen dades històriques per avaluacions comparatives dels transformadors.

Integració de la Inspecció Mecànica amb el Manteniment dels Transformadors

Les inspeccions mecàniques dels transformadors serveixen com un enllaç crucial entre el diagnòstic i l'acció. Un informe d'inspecció complet dels transformadors, que marca problemes com bolts suaus, bobinats deformats o suports compromesos, dicta reparacions urgents o substitucions de components. Per exemple, si una inspecció de vibracions revela un nucli mal alineat en un transformador, la realineació i la retension se converteixen en prioritats. Incorporant inspeccions mecàniques en els horaris de manteniment preventiu dels transformadors, els operadors poden ampliar la vida útil dels transformadors i fortificar la resiliència de la xarxa.

Prevenir una Interrupció de Servei en els Transformadors de Distribució

Com Funcionen els Transformadors, Secundaris i Fusibles

Els transformadors de distribució redueixen la tensió des del voltatge de distribució o alimentador primari fins al voltatge d'ús. Estan connectats a l'alimentador primari, sub-alimentadors i laterals a través de fusibles primaris o cortacircuits fusibles. El fusible primari desconecta el transformador de distribució associat de l'alimentador primari quan es produeix un defecte en el transformador o un defecte de circuit secundari de baixa impedància. Els cortacircuits fusibles, que normalment estan tancats, proporcionen un mitjà convenient per desconectar petits transformadors de distribució per a inspeccions i manteniment.

No es pot assolir una protecció satisfactòria contra sobrecàrregues en un transformador de distribució només amb un fusible primari. Això és degut a la diferència en la forma de la seva corba de corrent-temps i la corba de corrent-temps segura d'un transformador de distribució. Si s'utilitza un fusible prou petit per oferir protecció completa contra sobrecàrregues al transformador, es perd gran part de la capacitat de sobrecàrrega valiosa del transformador ja que el fusible es fondeix prematurament. Aquest fusible també peteix sovint innecessàriament en corrents de pic. Per tant, s'ha de seleccionar un fusible primari basant-se en proporcionar protecció contra curtcircuïts, amb la seva corrent mínima de fundició que normalment supera el 200% de la corrent total de càrrega del transformador associat.

Els transformadors de distribució connectats a alimentadors aeri de fil despullat sovint estan subjectes a pertorbacions severes de raigs. Per minimitzar la ruptura d'aïllament i les avaries dels transformadors per raigs, sovint s'utilitzen para-raigs amb aquests transformadors.

Els conductors secundaris d'un transformador de distribució solen estar connectats solidament a circuits secundaris radicals, dels quals es deriven els serveis del consumidor. Això significa que el transformador no té protecció contra sobrecàrregues i defects de alta impedància en els seus circuits secundaris. Relativament pocs transformadors de distribució s'incendien per sobrecàrregues, principalment perquè sovint no s'utilitzen plenament la seva capacitat de sobrecàrrega. Un altre factor que contribueix al baix nombre d'avaries relacionades amb sobrecàrregues són les verificacions de càrrega freqüents i les mesures correctives abans que es produeixin sobrecàrregues perilloses. No obstant això, els defects de alta impedància en els seus circuits secundaris probablement causen més avaries de transformadors de distribució que les sobrecàrregues, especialment en àrees amb condicions arbòries pobres.

Els fusibles en els conductors secundaris dels transformadors de distribució són poc més efectius en prevenir incendis de transformadors que els fusibles primaris, per raons similars. La manera adequada d'obtenir una protecció satisfactòria per a un transformador de distribució contra sobrecàrregues i defects de alta impedància és instal·lar un interruptor de circuit en els conductors secundaris del transformador. La corba de disparació d'aquest interruptor de circuit ha de coordinar-se correctament amb la corba de corrent-temps segura del transformador. El fusible primari també ha de coordinar-se amb l'interruptor secundari de manera que aquest dispare qualsevol corrent que pugui passar a través d'ell abans que el fusible es fondeixi.

Els defects en la connexió de servei del consumidor des del circuit secundari al commutador de servei són extremadament rars. Per tant, l'ús d'un fusible secundari al punt on la connexió de servei es deriva del circuit secundari no és econòmicament justificable, excepte en casos inhabituals com serveis grans des de segonaris subterrànies.

Consideracions de Variació de Tensió

Assumint una variació màxima de tensió d'aproximadament el 10% en qualsevol commutador de servei del consumidor, la divisió d'aquesta caiguda entre les diverses parts del sistema, a càrrega total, pot ser aproximadament la següent:

• Variació de tensió del 2% en l'alimentador primari entre el primer i l'últim transformador

• Variació de tensió del 2,5% en el transformador de distribució

• Variació de tensió del 3% en el circuit secundari

• Variació de tensió del 0,5% en la connexió de servei del consumidor

El fet que la tensió al primari del primer transformador de distribució no es pugui mantenir exactament explica els altres 2%.

Aquests números són típics per a sistemes aeri que subministren càrregues residencials. No obstant això, es poden esperar diferències significatives en sistemes subterrànies on es fan servir circuits de cable i grans transformadors de distribució, o quan es subministren càrregues industrials i comercials.

La mida econòmica del transformador de distribució i la combinació de circuit secundari per a qualsevol densitat de càrrega uniforme i tipus de construcció, a preus de mercat específics, es pot determinar fàcilment una vegada s'estableix la caiguda total de tensió permès en aquestes dues parts del sistema. Si el transformador és massa gran, el cost del circuit secundari i el cost total seran excesius. Al revés, si el transformador és massa petit, el cost del transformador i el cost total seran massa elevats.

Gestió de Canvis de Càrrega en els Transformadors

Com en qualsevol altra part del sistema de distribució, els canvis o creixement de càrrega han de considerar-se i planificar-se en els transformadors de distribució i circuits secundaris. Els transformadors de distribució i circuits secundaris no s'instal·len només per servir les càrregues existents al moment de la instal·lació, sinó també per acomodar algunes càrregues futures. No obstant això, no és econòmic fer una major concessió per al creixement.

Quan un transformador de distribució es sobrecarrega perillosament, es pot substituir per un de mida superior si la capacitat de portar corrent del circuit secundari i la regulació de tensió global ho permeten. Si no, es pot instal·lar un altre transformador d'aproximadament la mateixa mida entre el transformador sobrecarregat i el adjacent. Això implica treure càrrega del transformador sobrecarregat connectant part del seu circuit secundari i la càrrega associada al nou transformador. Això també redueix la càrrega del circuit secundari del transformador sobrecarregat i millora la regulació de tensió global. En àrees amb càrregues relativament uniforms, pot ser necessari instal·lar transformadors en ambdós costats del transformador sobrecarregat relativament ràpidament per mantenir condicions de tensió satisfactòries i evitar la sobrecàrrega de parts del circuit secundari. El mateix resultat també es pot aconseguir instal·lant un nou transformador i reubicant el transformador sobrecarregat de manera que alimenti el centre del seu circuit secundari acurtat.

Banca de Transformadors per Millorar el Servei

Amb els transformadors de distribució i circuits secundaris disposats com en la configuració radial típica, qualsevol càrrega es subministra a través d'un únic transformador i en només una direcció sobre el circuit secundari. Degut a això, una càrrega aplicada de sobte, com quan s'inicia un motor, en el servei d'un consumidor pot causar un tremolor de llum inconvenient en altres serveis de consumidors alimentats pel mateix transformador. L'ús creixent d'electrodomèstics motoritzats en àrees residencials està resultant en un nombre significatiu de reclamacions per tremolor de llum. En alguns àmbits, el tremolor de llum, en comptes de la regulació de tensió, pot ser el factor determinant en la mida i disposició dels transformadors i circuits secundaris.

La banca de transformadors de distribució sol ser la millor i més econòmica manera d' millorar o eliminar el tremolor de llum. Banca de transformadors significa paralelitzar al costat secundari diversos transformadors connectats al mateix circuit primari. La disposició del circuit secundari en un layout de transformadors bancaris pot prendre diverses formes, com bucles o grafs similars als utilitzats en un sistema de xarxa secundari. No obstant això, els transformadors bancaris, connectats i subministrats a través d'un únic alimentador primari radial, són una forma de sistema de distribució radial, en contrast amb una xarxa secundari de bucle o graf que es subministra a través de dos o més alimentadors primaris i ofereix una fiabilitat de servei molt més gran.

La conversió de la disposició habitual de circuit secundari radial a la disposició de transformadors bancaris sol poder fer-se simplement i econòmicament tancant les breus entre els segonaris radials d'un nombre de transformadors associats al mateix alimentador primari i instal·lant els fusibles primaris i secundaris adequats.

Protecció en la Banca de Transformadors

S'han utilitzat dues formes principals de protecció quan es fa banca de transformadors de distribució. La primera disposició, que probablement és la més antiga i comuna, implica connectar els transformadors de distribució a l'alimentador primari a través de fusibles primaris o cortacircuits fusibles. Aquests fusibles només han de fondre en cas de defecte en el seu transformador associat. Tots els transformadors estan connectats al circuit secundari comú a través de fusibles secundaris, la finalitat dels quals és desconectar un transformador defectuós del circuit secundari. La mida del fusible secundari ha de ser tal que es fondeixi en cas de defecte primari entre el seu transformador i el fusible primari associat. Normalment, es espera que els defects en el circuit secundari es consumin per si sols. Per prevenir que els fusibles secundaris s'apaguen sovint en defects de circuit secundari, aquests fusibles han de tenir temps de fundició relativament llargs per a totes les corrents de defecte, però no tan llargs com per no oferir alguna protecció als transformadors contra defects secundaris que no es consumin ràpidament.

Utilitzar un interruptor secundari amb característiques de corrent-temps adequades és preferible a fusibles secundaris quan es fa banca de transformadors, ja que ofereix una protecció més gran al transformador contra sobrecàrregues i defects de alta impedància. Els fusibles o interruptors secundaris han d'obrir en menys temps que els fusibles primaris en qualsevol corrent possible per prevenir que els fusibles primaris s'apaguen en un defecte secundari.

Un defecte de transformador es neteja pels fusibles primaris i secundaris del transformador sense interrompre el servei. La majoria de defects secundaris es consumeixen ràpidament, però quan un defecte secundari persisteix, diversos o tots els fusibles secundaris poden fondre i alguns transformadors poden cremar-se. L'experiència mostra que amb un estudi atent de les corrents de defecte esperades i una selecció adequada de fusibles primaris i secundaris, aquest mètode de banca funciona amb mínims problemes. No obstant això, ocasionalment, un defecte de circuit secundari provoca que múltiples fusibles secundaris s'apaguin i alguns transformadors s'incendien, resultant en una inter