Probas de rendemento térmico e mecánico de transformadores de distribución: asegurando fiabilidade e longevidade

Introducción

No complexo panorama da distribución de enerxía eléctrica, os transformadores de distribución desempeñan un papel fundamental. Estes transformadores teñen a tarefa de reducir o voltaxe desde os niveis primarios de distribución ata os voltaxes de utilización adecuados para os usuarios finais. O seu funcionamento correcto é esencial para manter unha rede eléctrica estable e eficiente. Este artigo aborda dous aspectos esenciais na valoración dos transformadores de distribución: as probas de rendemento térmico e mecánico, así como a exploración de métodos para prevenir interrupcións do servizo e xestionar variacións de voltaxe.

Probas de Rendemento Térmico de Transformadores de Distribución

A Importancia da Inspección Térmica

Os transformadores de distribución xeran calor durante a súa operación. O calor prodúcese principalmente debido ás perdas nas bobinas e á histerese no núcleo destes transformadores. A acumulación incontrolada de calor nos transformadores pode levar á degradación do aislamento, acelerar o envellecemento dos transformadores e supor un risco significativo de fallos catastróficos. As inspeccións térmicas regulares dos transformadores son, polo tanto, de máxima importancia. Estas inspeccións, que inclúen a monitorización da temperatura e a detección de puntos calientes nos transformadores, actúan como sistemas de alerta precoz. Ao identificar anomalias térmicas nos transformadores de forma rápida, os técnicos poden prever fallos e asegurar un suministro ininterrumpido de enerxía a través da rede de distribución.

Componentes Clave das Probas Térmicas para Transformadores

Varias probas forman a base das inspeccións de rendemento térmico para transformadores de distribución:

• Prueba de Elevación de Temperatura: Unha inspección fundamental para transformadores, esta proba mide o aumento de temperatura nas bobinas e no aceite dos transformadores baixo carga nominal. As desviacións respecto aos estándares establecidos nos transformadores indican posibles problemas como un resfrío ineficiente ou problemas de resistencia interna. Estas observacións promoven unha inspección máis detallada de componentes como ventiladores de refrixeración, aletas ou niveles de refrigerante nos transformadores.

• Inspección por Imaxe Térmica: Cámbras infravermellas empreganse nesta técnica de inspección non invasiva para transformadores. Elas mapean as temperaturas superficiais dos transformadores, destacando puntos calientes ocultos, que poden ser debidos a conexións floxas ou conductos bloqueados dentro dos transformadores. Isto permite reparos específicos nos transformadores antes de que se produza danos no aislamento.

• Análise da Temperatura do Aceite: A muestreo e análise da viscosidade e o contido de ácido do aceite do transformador proporcionan información sobre os niveis de estrés térmico experimentados polos transformadores. Unha elevada acidez no aceite dos transformadores indica un calentamento excesivo, activando unha inspección das fontes de calor e mecanismos de refrixeración dentro dos transformadores.

Protocolos e Estándares de Inspección para Transformadores

Estándares como o IEEE C57.12.90 e o IEC 60076 mandatan inspeccións térmicas sistemáticas de transformadores. Durante as probas, os técnicos simulam condicións de carga completa nos transformadores mentres monitorean de cerca as pendentes de temperatura. Por exemplo, unha inspección de elevación de temperatura en transformadores require estabilizar os transformadores durante varias horas antes de rexistrar as lecturas. A documentación detallada de cada inspección de transformadores, incluíndo as condicións ambientais, a duración das probas e os perfís térmicos, facilita a análise de tendencias dos transformadores ao longo do tempo.

Frecuencia e Estratexias Adaptativas para Inspeccións de Transformadores

A frecuencia das inspeccións térmicas para transformadores depende de varios factores como a variabilidade da carga e as condicións ambientais. Os transformadores de distribución en áreas urbanas con cargas fluctuantes poden requiren inspeccións mensuais, mentres que os de áreas rurais poden bastar con comprobacións trimestrais. En climas cálidos, os intervalos entre as inspeccións térmicas de transformadores son acortados para contrarrestar os efectos do estrés térmico. Sistemas avanzados de monitorización agora permiten inspeccións térmicas continuas de transformadores a través de sensores incorporados, que transmiten datos en tempo real dos transformadores a centros de control.

Superando Desafíos de Inspección en Transformadores

As inspeccións térmicas de transformadores enfrentan certos desafíos. Notablemente, poden ocorrer falsos positivos debido a picos de carga transitarios. Para mitigar isto, os técnicos correlacionan os datos térmicos con parámetros eléctricos, como as correntes de carga nos transformadores. Ademais, o acceso a componentes de difícil acceso, como as bobinas internas, require experiencia especializada. Algúns inspeccións de transformadores requiren a drenaxe de aceite, necesitando unha adhesión escrupulosa a protocolos de seguridade meticulosos. A calibración regular de sensores térmicos en transformadores asegura resultados de inspección precisos.

Integración da Inspección Térmica co Mantemento de Transformadores

As inspeccións térmicas de transformadores serven como un puente entre a recollida de datos e as accións de mantemento. Un informe de inspección comprehensivo de transformadores, que marca puntos calientes, ineficiencias de resfrío ou degradación do aceite, orienta as intervencións inmediatas. Por exemplo, se unha inspección por imaxe térmica revela unha aleta de resfrío bloqueada nun transformador, a limpeza ou substitución tornase unha prioridade. Ao incorporar as inspeccións térmicas nos calendarios de mantemento preventivo de transformadores, os operadores poden alargar a vida útil dos transformadores e reducir as vulnerabilidades da rede.

Probas de Rendemento Mecánico de Transformadores de Distribución

A Indispensabilidade da Inspección Mecánica para Transformadores

Os transformadores de distribución están expostos a estréssos mecánicos ao longo do seu ciclo de vida. Os fallos eléctricos poden xerar forzas electromagnéticas intensas que poden distorsionar as bobinas dos transformadores. Ademais, a actividade sísmica ou o manejo brusco durante o transporte poden danar os componentes internos dos transformadores. As inspeccións mecánicas regulares, que van desde comprobacións visuais a probas dinámicas de transformadores, son esenciais para detectar defectos ocultos. Ao identificar debilidades mecánicas precocemente, os operadores poden protexer contra fallos súbitos que poden interromper o suministro de enerxía e poner en peligro a infraestrutura global que depende destes transformadores.

Componentes Clave de Probas Mecánicas para Transformadores

Varias probas son integrales para as inspeccións de rendemento mecánico de transformadores de distribución:

• Prueba de Impulso de Cortocircuito: Esta inspección simula condicións de fallo para avaliar a capacidade dos transformadores de resistir forzas electromagnéticas. As desviacións na impedancia ou no desprazamento das bobinas nos transformadores sinalizan estréssos mecánicos, provocando unha inspección das estruturas de aperto e soportes dentro dos transformadores.

• Inspección de Análise de Vibración: Sensores úsanse para monitorizar as vibracións durante a operación dos transformadores. Frecuencias anormais detectadas nos transformadores indican problemas como partes floxas, núcleos mal alineados ou ventiladores de resfrío danados. Este método de inspección non invasivo axuda aos técnicos a localizar e corrixir problemas mecánicos nos transformadores antes de que se agraven.

• Prueba de Impacto Mecánico: Aplicada durante o proceso de fabricación ou despois do transporte dos transformadores, esta proba evalúa a resistencia dos transformadores a choques. Pruebas de caída ou simulacións sísmicas revelan vulnerabilidades en componentes como o tanque, as bushings ou as conexións de terminais dos transformadores, provocando inspeccións de articulacións críticas.

Protocolos e Estándares de Inspección para Transformadores

Estándares como o IEEE C57.12.90 e o IEC 61378 mandatan inspeccións mecánicas rigorosas de transformadores. Durante as probas, os técnicos siguen procedementos precisos. Por exemplo, as probas de cortocircuito en transformadores requiren inxestos de corrente controlados mentres se monitorean as respostas mecánicas dos transformadores. A documentación detallada de cada inspección de transformadores, incluíndo parámetros de proba, deformacións observadas e recomendacións de reparación, constrúe un historial para futuras analises de transformadores.

Frecuencia e Adaptación Contextual para Inspeccións de Transformadores

A frecuencia das inspeccións mecánicas para transformadores varía en función dos escenarios de uso. Os transformadores de distribución en rexións propensas a terremotos poden someterse a inspeccións de vibración trimestrais, mentres que os de entornos estables poden bastar con comprobacións anuais. Os transformadores novos instalados adoitan recibir inspeccións inmediatas post-transporte para verificar a súa integridade. Sistemas avanzados de monitorización agora permiten inspeccións mecánicas continuas de transformadores a través de sensores de deformación e acelerómetros incorporados.

Superando Desafíos de Inspección en Transformadores

As inspeccións mecánicas de transformadores viñen coas súas propias complexidades. Detectar danos internos sen desmontar os transformadores é un obstáculo significativo. Algúns inspeccións, como a proba ultrasonora para detectar fisuras ocultas nos transformadores, requiren experiencia especializada. Ademais, diferenciar o desgaste normal da degradación anormal nos transformadores require experiencia. Para abordar estes desafíos, os técnicos combinan múltiples métodos de inspección, como a análise de vibración con comprobacións visuais, e aprovechan datos históricos para avaliacións comparativas de transformadores.

Integración da Inspección Mecánica co Mantemento de Transformadores

As inspeccións mecánicas de transformadores serven como un vínculo crucial entre o diagnóstico e a acción. Un informe de inspección comprehensivo de transformadores, que marca problemas como parafusos floxos, bobinas deformadas ou soportes comprometidos, dicta reparos urgentes ou substitucións de componentes. Por exemplo, se unha inspección de vibración revela un núcleo mal alineado nun transformador, a realinhación e retensionado tornanse prioridades máximas. Ao incorporar as inspeccións mecánicas nos calendarios de mantemento preventivo de transformadores, os operadores poden alargar a vida útil dos transformadores e fortalecer a resiliencia da rede.

Prevención de Interrupcións de Servicio en Transformadores de Distribución

Cómo Funcionan los Transformadores, Secundarios y Fusibles

Os transformadores de distribución reducen o voltaxe desde o voltaxe de distribución ou alimentador primario ata o voltaxe de utilización. Están conectados ao alimentador primario, subalimentadores e laterais a través de fusibles primarios ou cortacircuitos fusibles. O fusible primario desconecta o transformador de distribución asociado do alimentador primario cando ocorre un fallo no transformador ou un fallo de circuito secundario de baixa impedancia. Os cortacircuitos fusibles, que normalmente están pechados, proporcionan un medio conveniente para desconectar pequenos transformadores de distribución para inspección e mantemento.

A protección satisfactoria contra sobrecargas dun transformador de distribución non se pode lograr só con un fusible primario. Isto debeuse á diferenza na forma da súa curva de corrente-tempo e a curva de corrente-tempo segura dun transformador de distribución. Se se usa un fusible lo suficientemente pequeno para ofrecer protección completa contra sobrecargas para o transformador, gran parte da valiosa capacidade de sobrecarga do transformador se perde porque o fusible salta prematuramente. Un tal fusible pequeno tamén salta con frecuencia innecesariamente en corrientes de impulso. Polo tanto, debe seleccionarse un fusible primario en función de proporcionar só protección contra cortocircuitos, con a súa corrente mínima de salto xeralmente superando o 200% da corrente total de carga do transformador asociado.

Os transformadores de distribución conectados a alimentadores de cable aéreo están a miúdo suxeitos a perturbacións severas de raio. Para minimizar a ruptura do aislamiento e os fallos de transformadores debido ao raio, é común usar pararrayos con estes transformadores.

Os conductores secundarios dun transformador de distribución están xeralmente solidamente conectados a circuitos secundarios radiais, dos que se derivan os servizos dos consumidores. Esto significa que o transformador carece de protección contra sobrecargas e fallos de alta impedancia nos seus circuitos secundarios. Relativamente poucos transformadores de distribución queman por sobrecargas, principalmente porque moitas veces non se utilizan completamente a súa capacidade de sobrecarga. Outro factor que contribúe ao baixo número de fallos relacionados con sobrecargas é a realización frequente de comprobacións de carga e medidas correctivas antes de que ocorran sobrecargas perigosas. No entanto, os fallos de alta impedancia nos seus circuitos secundarios provavelmente causan máis fallos de transformadores de distribución que as sobrecargas, especialmente en áreas con malas condicións de árbores.

Os fusibles nos conductores secundarios de transformadores de distribución son pouco máis efectivos para evitar quemas de transformadores que os fusibles primarios, por razóns similares. A maneira correcta de obter unha protección satisfactoria para un transformador de distribución contra sobrecargas e fallos de alta impedancia é instalando un interruptor de circuito nos conductores secundarios do transformador. A curva de disparo deste interruptor de circuito debe coordinarse correctamente coa curva de corrente-tempo segura do transformador. O fusible primario tamén debe coordinarse co interruptor secundario para que este dispare en calquera corrente que poida pasar a través del antes de que o fusible resulte danado.

Os fallos na conexión de servizo dun consumidor desde o circuito secundario ata o interruptor de servizo son extremadamente raros. Así, o uso dun fusible secundario no punto onde a conexión de servizo deriva do circuito secundario non é economicamente justificable, excepto en casos inusuales como servizos grandes de secundarios subterraneos.

Consideraciones de Variación de Voltaje

Supondo unha variación máxima de voltaxe de aproximadamente o 10% en calquera interruptor de servizo de consumidor, a división desta caída entre as varias partes do sistema, a carga total, pode ser aproximadamente a seguinte:

• 2% de variación de voltaxe no alimentador primario entre o primeiro e o último transformador

• 2,5% de variación de voltaxe no transformador de distribución

• 3% de variación de voltaxe no circuito secundario

• 0,5% de variación de voltaxe na conexión de servizo do consumidor

O feito de que o voltaxe no primario do primeiro transformador de distribución non se pode manter exactamente de ordinario explica o outro 2%.

Estas cifras son típicas para sistemas aéreos que fornecen cargas residenciais. No entanto, poden esperarse diferencias significativas en sistemas subterraneos onde se usan circuitos de cable e grandes transformadores de distribución, ou cando se fornecen cargas industriais e comerciais.

O tamaño económico do transformador de distribución e a combinación de circuito secundario para calquera densidade de carga uniforme e tipo de construción, a prezos de mercado específicos, pode determinarse facilmente unha vez establecida a caída de voltaxe total permitida nestas dúas partes do sistema. Se o transformador é demasiado grande, o custo do circuito secundario e o custo total serán excesivos. Por outro lado, se o transformador é demasiado pequeno, o custo do transformador e o custo total serán demasiado altos.

Manexo de Cambios de Carga en Transformadores

Como en calquera outra parte do sistema de distribución, os cambios de carga ou crecemento de carga deben considerarse e planificarse en transformadores de distribución e circuitos secundarios. Os transformadores de distribución e os circuitos secundarios non se instalan só para servir as cargas existentes no momento da instalación, senón tamén para acomodar algúns cargas futuras. No entanto, non é económico facer unha asignación excesiva para o crecemento.

Cando un transformador de distribución se sobrecarga perigosamente, pode substituírse por un de maior tamaño se a capacidade de conducción de corrente do circuito secundario e a regulación de voltaxe global o permiten. Se non, pode instalarse outro transformador de tamaño similar entre o transformador sobrecargado e o adjacente. Isto implica retirar carga do transformador sobrecargado conectando parte do seu circuito secundario e a carga asociada ao novo transformador. Isto tamén reduce a carga no circuito secundario do transformador sobrecargado e mellora a regulación de voltaxe global. En áreas con carga razonablemente uniforme, pode ser necesario instalar transformadores en ambos os lados do transformador sobrecargado relativamente rápido para manter condicións de voltaxe satisfactorias e evitar a sobrecarga de partes do circuito secundario. O mesmo resultado tamén pode lograrse instalando un novo transformador e reubicando o transformador sobrecargado para que alimente ao centro do seu circuito secundario acurtado.

Banca de Transformadores para Melhorar o Servicio

Con transformadores de distribución e circuitos secundarios dispostos como na configuración radial típica, calquera carga se abastece só a través dun transformador e en só unha dirección sobre o circuito secundario. Debido a isto, unha carga aplicada de repente, como cando se inicia un motor, no servizo dun consumidor pode causar un parpadeo de luz desaxerado noutros servizos de consumidores alimentados polo mesmo transformador. O uso crecente de electrodomésticos accionados por motores en áreas residenciais está resultando nun número significativo de queixas de parpadeo de luz. En algúns lugares, o parpadeo de luz, en lugar da regulación de voltaxe, pode ser o factor determinante no tamaño e disposición de transformadores e circuitos secundarios.

A banca de transformadores de distribución xeralmente é o medio mellor e máis económico para mellorar ou eliminar o parpadeo de luz. Banca de transformadores significa conectar en paralelo no lado secundario un número de transformadores todos conectados ao mesmo circuito primario. A disposición do circuito secundario nunha disposición de transformadores bancados pode tomar varias formas, como lazos ou redes similares ás usadas en un sistema de rede secundaria. No entanto, os transformadores bancados, sendo conectados e abastecidos a través dun único alimentador primario radial, son unha forma de sistema de distribución radial, a diferencia dun lazo ou rede de rede secundaria que se abastece a través de dous ou máis alimentadores primarios e ofrece unha fiabilidade de servizo moito maior.

A conversión da disposición usual de circuito secundario radial á disposición de transformadores bancados xeralmente pode facerse simplemente e barato cerrando as brechas entre os secundarios radiais de varios transformadores asociados ao mesmo alimentador primario e instalando os fusibles primarios e secundarios adecuados.

Protección na Banca de Transformadores

Dúas formas principais de protección se han usado cando se bancan transformadores de distribución. A primeira disposición, que probablemente é a máis antiga e común, implica conectar os transformadores de distribución ao alimentador primario a través de fusibles primarios ou cortacircuitos fusibles. Estes fusibles só deben saltar en caso de fallo no transformador asociado. Todos os transformadores están conectados ao circuito secundario común a través de fusibles secundarios, cuxo propósito é desconectar un transformador defectuoso do circuito secundario. O tamaño do fusible secundario debe ser tal que salte en un fallo primario entre o seu transformador e o fusible primario asociado. Os fallos no circuito secundario normalmente se espera que se limpen por si mesmos. Para evitar que os fusibles secundarios salten con frecuencia en fallos de circuito secundario, estes fusibles deben ter tempos de salto relativamente largos en todas as correntes de fallo, pero non tan largos como para fallar en proporcionar algunha protección aos transformadores contra fallos secundarios que non se limpian rapidamente.

Usar un interruptor secundario con características de corrente-tempo adecuadas é preferible a fusibles secundarios cando se bancan transformadores, xa que ofrece maior protección ao transformador contra sobrecargas e fallos de alta impedancia. Os fusibles ou interruptores secundarios deben abrir en menos tempo que os fusibles primarios en calquera corriente posible para evitar que os fusibles primarios salten en un fallo secundario.

Un fallo de transformador se limpa cos fusibles primarios e secundarios do transformador sen interromper o servizo. A maioría dos fallos secundarios se limpian rapidamente, pero cando un fallo secundario persiste, varios ou todos os fusibles secundarios poden saltar e algún transformador pode quedar danado. A experiencia amosa que cun estudo cuidadoso das correntes de fallo esperadas e a selección adecuada de fusibles primarios e secundarios, este método de banca opera con mínimos problemas. No entanto, ocasionalmente, un fallo de circuito secundario causa que múltiples fusibles secundarios salten e que algún transformador quede danado, resultando nunha interrupción de servizo maior que con circuitos secundarios radiales.

A segunda disposición de banca de transformadores é preferible xa que non hai perigo de interrupción completa do servizo na área bancada debido a un fallo secundario. Nesta disposición, os transformadores de distribución están conectados ao alimentador primario a través de fusibles primarios polas mesmas razóns que na primeira disposición. Os transformadores están solidamente conectados ao circuito secundario, que está seccionado entre transformadores por fusibles secundarios. Estes fusibles están seleccionados para saltar máis rápido que calquera fusible primario en calquera fallo de circuito secundario. Cando un transformador falla, é retirado do sistema polo seu fusible primario e os fusibles secundarios adxacentes a cada lado. Así, un fallo de transformador resulta en una interrupción de servizo só para os consumidores asociados ao transformador defectuoso. Un fallo de circuito secundario xeralmente se limpia, pero se persiste, é limpiado polos fusibles secundarios adxacentes á sección defectuosa e o fusible primario do transformador asociado. Os fusibles secundarios xeralmente están seleccionados para funcionar incluso en fallos de alta impedancia, mentres que os fusibles primarios non, por as razóns discutidas anteriormente sobre circuitos secundarios radiales. Isto asegura que incluso con un fallo de alta impedancia persistente, os fusibles secundarios adxacentes salten e eviten a interrupción de servizo nas seccións secundarias non afectadas, aínda que o transformador asociado poida quedar danado. Para evitar isto, pode usarse un interruptor secundario con unha curva de corrente-tempo coordinada coa curva de corrente-tempo segura do transformador nos conductores secundarios do transformador. Cando se usa tal interruptor, os fusibles secundarios deben estar seleccionados para que os seus tempos de salto para todas as correntes de fallo sexan menores que os tempos de disparo dos interruptores.

Normalmente, as dúas disposicións de banca funcionan de forma similar. Reducen ou eliminan o parpadeo de luz e melloran a regulación de voltaxe ou permiten unha redución na cantidade de capacidade de transformador requerida en comparación con circuitos secundarios radiales. Esta mellora debeuse a unir varios circuitos secundarios radiales e aproveitar a diversidade entre diferentes grupos de consumidores. Pode esperarse un incremento significativo no uso de transformadores bancados no futuro, xa que estas vantaxes a miúdo poden lograrse sen custo adicional ou con un aforro en comparación coa disposición usual de circuito secundario radial.

En conclusión, tanto as probas de rendemento térmico como mecánico de