SCB & SGB Transformadores secos explicados

1. Introdución

Un transformador funciona baseado no principio da indución electromagnética. Os compoñentes principais dun transformador son as bobinas e o núcleo. Durante a operación, as bobinas serven como camiño para a corrente eléctrica, mentres que o núcleo serve como camiño para o fluxo magnético. Cando se introduce enerxía eléctrica na bobina primaria, a corrente alternada crea un campo magnético alternado no núcleo (é dicir, a enerxía eléctrica convértese en enerxía de campo magnético). Debido ao enlace magnético (enlace de fluxo), o fluxo magnético que pasa pola bobina secundaria cambia continuamente, inducindo así unha forza electromotriz (FEM) na bobina secundaria. Cando se conecta un circuito externo, a enerxía eléctrica é entregada á carga (é dicir, a enerxía do campo magnético volve a converterse en enerxía eléctrica). Este proceso de conversión "electricidade–magnetismo–electricidade" realiza-se baseado no principio da indución electromagnética, e este proceso de conversión de enerxía constitúe o principio de funcionamento dun transformador.

U1N2 = U2N1

U1: Tensión Primaria；N1: Número de Vueltas da Bobina Primaria；U2: Tensión Secundaria；N2: Número de Vueltas da Bobina Secundaria

Segundo o estándar nacional chino GB 1094.16, un transformador seco defínese claramente como un transformador cuxo núcleo e bobinas non están sumergidos nun líquido aislante. O seu medio aislante e de refrigeración é o aire. En sentido amplo, os transformadores secos poden dividirse en dous tipos principais: encapsulados e abertos.

• O tipo "SC(B)" refírese a un transformador seco con resina epoxi (a "B" na designación do modelo indica que as bobinas están feitas de láminal de cobre; a "B" en "SG(B)" ten o mesmo significado). A bobina de alta tensión está completamente encapsulada con resina epoxi, mentres que a bobina de baixa tensión xeralmente non está completamente fundida con resina epoxi—só as vueltas finais están seladas con resina epoxi (isto tamén é porque o lado de baixa tensión transporta maior corrente, e a fundición completa afectaría negativamente a dissipación de calor). Actualmente, os transformadores secos do tipo SC(B) son os produtos dominantes no mercado, e este artigo úsaos como exemplo para análise. A maioría dos transformadores do tipo SC(B) teñen aislamento de clase F, con algúns clasificados como clase H.

• O tipo "SG(B)" é un transformador seco de bobina aberta que usa papel aislante NOMEX de DuPont (EE. UU.) para o aislamento entre vueltas. A bobina de baixa tensión está feita de láminal de cobre, e ambas as bobinas de alta e baixa tensión submetense a un tratamento de aislamento VPI (Impregnación por Vacío e Presión). A superficie está recuberta con unha capa de barniz aislante de resina epoxi. A maioría dos transformadores secos do tipo SG(B) teñen aislamento de clase H, con algúns clasificados como clase C.

• Existe outro tipo de transformador seco, designado como "SCR(B)", que é un tipo encapsulado pero non fundido con resina epoxi. Está completamente encapsulado usando papel NOMEX e xel de silicón, baseado na tecnoloxía francesa. Este produto ten unha demanda de mercado moi limitada. Todos os transformadores secos do tipo SCR(B) teñen aislamento de clase H.

2 Ventajas dos Transformadores Secos

• Seguros, retardantes de flama, ignífugos, antidesintegrantes, libres de contaminación e poden instalarse directamente no centro de carga;

• Sin mantenimiento, con bajos custos operativos totais;

• Excelente resistencia á humidade—poden operar normalmente con unha humidade do 100% e poden ser reenerxizados sen presecado previo despois de estar apagados;

• Baixas perdas, baixa descarga parcial, baixo ruído, forte dissipación de calor e capaces de operar ao 150% da carga nominal baixo condicións de refrigeración forzada con aire;

• Equipados cun sistema completo de protección e control de temperatura, proporcionando unha garantía fiable para a operación segura;

• Tamaño compacto, peso lixeiro, pequena pegada e baixo custo de instalación.

3.Desvantaxes dos Transformadores Secos

• Baixo a mesma capacidade e calificación de tensión, os transformadores secos son máis caros que os transformadores imersos en óleo;

• A calificación de tensión está limitada—xeralmente ata 35 kV, con só algunhas modelos alcanzando 110 kV;

• Xeralmente usados en interiores; cando se usan en exteriores, requiren unha carcasa protectora con unha elevada calificación de protección contra a entrada (IP);

• Para as bobinas de resina fundida, se están danadas, xeralmente necesitan ser desechadas completamente, xa que a reparación é habitualmente difícil.

4. Estructura dos Transformadores Secos

4.1 Bobinas
(1) Bobina de tipo capa: Feita empilando conductores planos ou redondos e enrolándolos en patrón helicoidal para formar múltiples capas. Entre capas colócanse aislamentos ou ductos de ventilación. A bobina está fundida e curada baixo vacío usando un molde e equipo de fundición especializado. Proceso: enrollado helicoidal empilhado → colocado no molde → fundición baixo vacío.

(2) Bobina de tipo lámina: Feita enrolando conductores finos e anchos, con unha volta por capa. O aislamento entre capas tamén serve como aislamento entre voltas. As bobinas de tipo lámina xeralmente usan ductos de refrigeración axiais: durante o enrollado, insértanse tiras espaciadoras en posicións de voltas designadas e despois retíranse para formar canais de aire axiais. Despois de enrollar nunha máquina de bobinado de lámina, a bobina só necesita ser aquecida e curada—non se require molde nin fundición.

Por que se coloca o enrolamento de alta tensión na capa exterior e o de baixa tensión na capa interior?
Porque o lado de baixa tensión funciona a unha voltaxe máis baixa e require un espazo de aislamento menor, colocándoo máis preto do núcleo reduce a distancia entre o enrolamento e o núcleo, reducindo así o tamaño xeral e o custo da transformadora. Ademais, o enrolamento de alta tensión xeralmente ten conexións de tomas; colocándoo no exterior fai que a operación sexa máis cómoda e segura.

4.2 Núcleo

• Construído por empilhamento de múltiples laminacións de acero silicio recubertas con barniz aislante;

• O núcleo está principalmente apertado por marcos de aperto e parafusos de aperto;

• Os marcos de aperto superior e inferior comprimen o núcleo e os enrolamentos mediante barras de ligazón ou placas de ligazón;

• Os componentes de aislamento do núcleo inclúen aislamento de marco, aislamento de parafuso ou aislamento de placa de ligazón.

Por que debe estar aterrado o núcleo?
Durante a operación normal, o núcleo da transformadora debe ter un e só un punto de aterramento fiable. Sen aterramento, desenvolveríase unha voltagem flotante entre o núcleo e o terra, provocando descargas intermitentes desde o núcleo ao terra. Aterrar o núcleo nun único punto elimina a posibilidade dun potencial flotante. 

No entanto, se o núcleo está aterrado en dous ou máis puntos, as diferenzas de potencial desiguais entre seccións do núcleo causarán correntes circulantes entre os puntos de aterramento, resultando en fallos de aterramento múltiple e sobreaquecemento localizado. Estes fallos de aterramento do núcleo poden causar un aumento severo da temperatura local, podendo activar o salto protector. En casos extremos, as zonas fundidas no núcleo crean curtos circuitos entre laminacións, aumentando significativamente as perdas do núcleo e afectando gravemente o rendemento e a operación da transformadora—nalgúns casos requiríndose a substitución das laminacións de acero silicio para a súa reparación. Polo tanto, as transformadoras non deben ter múltiples puntos de aterramento; só se permite un e exactamente un punto de aterramento.

5. Sistema de Control de Temperatura

A operación segura e a vida útil dunha transformadora seca dependen en gran medida da seguridade e fiabilidade do aislamento dos enrolamentos. Se a temperatura dos enrolamentos excede o límite térmico de resistencia do aislamento, este será danado—é unha das principais razóns de fallo da transformadora. Polo tanto, é críticamente importante monitorizar a temperatura de operación e implementar controles de alarma e salto.

(1) Control automático de ventiladores: As señales de temperatura son medidas por detectores de temperatura de resistencia Pt100 incrustados na parte máis cálida do enrolamento de baixa tensión. Á medida que a carga da transformadora aumenta e a temperatura de operación sube, o sistema inicia automaticamente os ventiladores de refrixeración cando a temperatura do enrolamento alcanza os 110°C, e páralos cando a temperatura desce a 90°C.

(2) Alarma de alta temperatura e salto por sobretemperatura: As señales de temperatura dos enrolamentos ou do núcleo son recollidas por termistores non lineares PTC incrustados no enrolamento de baixa tensión. Se a temperatura do enrolamento continua a subir e alcanza os 155°C, o sistema emite unha señal de alarma de sobretemperatura. Se a temperatura aumenta aínda máis a 170°C, a transformadora xa non pode operar de forma segura, e debe enviarse unha señal de salto por sobretemperatura ao circuito de protección secundario.

(3) Sistema de visualización de temperatura: Os valores de temperatura son medidos por termistores Pt100 incrustados no enrolamento de baixa tensión e mostran directamente a temperatura de cada enrolamento de fase (con monitorización de tres fases, visualización do valor máximo e rexistro da temperatura pico histórica). O sistema proporciona unha saída analóxica de 4–20 mA para a temperatura máxima. Se se require transmisión remota a un ordenador (hasta 1200 metros), pódese equipar cunha interface de ordenador e un transmisor, permitindo a monitorización simultánea de ata 31 transformadoras. A señal do termistor Pt100 tamén pode activar alarmas e saltos por sobretemperatura, aumentando aínda máis a fiabilidade do sistema de protección de temperatura.

6. Carcasa de Transformadoras Secas

Dependendo das características do ambiente de operación e dos requisitos de protección, as transformadoras secas poden equiparse con diferentes tipos de carcasa. Xeralmente, seleccionase unha carcasa de clase IP20, que evita a entrada de obxectos sólidos estranxeiros maiores de 12 mm de diámetro e pequenos animais como ratos, serpes, gatos e aves, evitando así fallos graves como curtos circuitos e cortes de enerxía, e proporcionando unha barreira de seguridade para as partes vivas.

Se a transformadora debe instalarse ao aire libre, pódese usar unha carcasa de clase IP23. Ademais da protección ofrecida polo IP20, tamén prevén a entrada de gotas de auga que caen a un ángulo de ata 60° respecto á vertical. No entanto, a carcasa IP23 reduce a capacidade de refrixeración da transformadora, polo que hai que prestar atención ao deratear a súa capacidade de operación ao seleccionar este tipo de carcasa.

7. Métodos de refrigeración dos transformadores secos

Os transformadores secos empregan dous métodos de refrigeración: refrigeración natural ao aire (AN) e refrigeración forzada ao aire (AF).

Baixo a refrigeración natural ao aire, o transformador pode operar de forma continua á súa capacidade nominal durante un período prolongado.

Baixo a refrigeración forzada ao aire, a capacidade de saída do transformador pode aumentarse en un 50%, facéndoo adecuado para a operación de sobrecarga intermitente ou condicións de sobrecarga de emergencia. No entanto, durante a operación de sobrecarga, as perdas de carga e a tensión de impedancia aumentan significativamente, resultando nunha operación non económica; polo tanto, debe evitarse a operación de sobrecarga continua prolongada.

8. Probas para transformadores secos

• Medición da resistencia DC das bobinas:
  Comproba a calidade da soldadura dos conductores internos, a condición de contacto entre os interruptores de deriva e as conexions, e se as resistencias de fase están desequilibradas. Xeralmente, o desequilibrio de resistencia liña-liña non debe superar o 2%, e o desequilibrio entre fases non debe superar o 4%. Un desequilibrio excesivo da resistencia DC pode causar correntes circulantes entre as tres fases, aumentando as perdas de corrente circulante e levando a efectos indeseables como o sobreescalfamento do transformador.

• Comprobación da relación de voltaxes en todas as posicións de deriva:
  Verifica se o número de espiras é correcto e se todas as conexións de deriva están correctamente cableadas. Cando se aplique 1000 V ao lado de alta tensión (e as súas diversas derivas), comprobar se o transformador produce aproximadamente 400 V no lado de baixa tensión.

• Comprobación do grupo de conexión de bobinas trifásicas e a polaridade.

• Medición da resistencia de aislamento dos fixadores aislados do núcleo e do propio núcleo.

• Medición da resistencia de aislamento das bobinas:
  Avalía o nivel de aislamento entre as bobinas de alta tensión, baixa tensión e terra. Xeralmente, úsase un megohmímetro de 2500 V, e os valores medidos de resistencia de aislamento (AT-BT, AT-terra, BT-terra) deben superar os valores estándar especificados.

• Proba de tensión AC de aislamento das bobinas:
  Evalue a forza principal de aislamento entre AT, BT e terra mediante probas de resistencia dieléctrica. Esta proba é decisiva para detectar defectos localizados introducidos durante a fabricación. Para transformadores secos, as voltaxes de proba típicas son: 35 kV para a bobina de 10 kV e 3 kV para a bobina de 0.4 kV, cada un aplicado durante 1 minuto sen que se produza un fallo para ser considerado aceptable.

• Probas de conmutación e interbloqueo para interruptores de todos os lados do transformador:
  Verifica a fiabilidade das operacións de relés protexentes e confirma que o equipo de conmutación está intacto e sen defectos.

9. Proba de conmutación de impulsos (inrush)

(1) Cando se desconecta un transformador sen carga, pode ocorrer unha sobretensión de conmutación. En sistemas eléctricos cun neutro non conectado a terra ou conectado a través dunha bobina de supresión de arco, a magnitude da sobretensión pode chegar a 4–4.5 veces a tensión de fase; en sistemas con neutro directamente conectado a terra, pode chegar a 3 veces a tensión de fase. Para verificar se o aislamento do transformador pode soportar a tensión completa ou a sobretensión de conmutación, requireuse unha proba de impulso.

(2) A alimentación dun transformador sen carga produce unha corrente de inrush, que pode chegar a 6–8 veces a corrente nominal. A corrente de inrush decréase rapidamente inicialmente—xeralmente reducíndose a 0.25–0.5 veces a corrente nominal dentro de 0.5–1 segundo—pero a decadencia completa pode levar moito máis tempo, ata varias decenas de segundos para transformadores de gran capacidade. Debido ás forzas electromagnéticas xeradas pola corrente de inrush, realiza-se a proba de impulso para avaliar a forza mecánica do transformador e para avaliar se os relés protexentes poden malfuncionar durante a fase inicial de decadencia da corrente de inrush.
Xeralmente, os transformadores recén instalados realizan 5 probas de impulso, mentres que os transformadores recondicionados realizan 3 probas de impulso.

10. Proba a vacío

O obxectivo da proba a vacío é:

• Medir a perda a vacío e a corrente a vacío do transformador;

• Verificar se o deseño e a fabricación do núcleo cumpriron as especificacións técnicas e estándares;

• Detectar defectos no núcleo como o sobreescalfamento local ou o aislamento local deficiente.

Durante a proba, o lado de alta tensión está en circuito aberto, e a tensión nominal aplica-se ao lado de baixa tensión. A perda a vacío é principalmente a perda do núcleo (ferro).

Os defectos detectables mediante a proba a vacío inclúen:

• Aislamento deficiente entre as laminas de silicio;

• Curtocircuitos locais ou danos por incendio entre as laminas do núcleo;

• Fallo de aislamento nos parafusos de tránsito do núcleo, tirantes de acero, placas de prensa, yugos superiores, etc., provocando cortocircuitos;

• Laminas de silicio soltas, mal alineadas ou con excesso de espazos de aire no circuito magnético;

• Conexión a múltiples puntos do núcleo;

• Curtocircuitos entre espiras ou capas, ou número desigual de espiras en ramas paralelas provocando desequilibrio de ampere-espiras;

• Uso de laminas de silicio de alta perda e baixa calidade ou erros nos cálculos de deseño.

11. Proba de cortocircuito

A proba de curto circuito mide principalmente as perdas por curto circuito e a impedancia. Realízase ao comisionar para verificar a corrección da estrutura do enrolamento, e despois da substitución do enrolamento para comprobar se hai desvíos significativos respecto aos resultados das probas anteriores.

O suministro de enerxía para a proba pode ser trifásico ou monofásico, aplicado no lado de alta tensión mentres que o lado de baixa tensión está en curto circuito. Durante a proba, a corrente no lado de alta tensión aumenta ata o seu valor nominal, e a corrente no lado de baixa tensión controlase para manterse no valor nominal.

12.Xestión de condicións anómalas en transformadores secos

12.1 Ruido anómalo do transformador

• Ruido mecánico causado por:

• Parafusos de aperto do núcleo afloitados;

• Deformación dos cantos do núcleo debido a un maltrato durante o transporte ou instalación;

• Obxectos estranhos que conectan partes do núcleo;

• Parafusos de montaxe do ventilador afloitados ou restos dentro do ventilador;

• Parafusos de montaxe da carcasa afloitados, causando vibración e ruido na placa;

• Parafusos de fixación da barra de baixa tensión afloitados ou falta de conexións flexibles, levando a vibración e ruido.

• Tensión de entrada excesivamente alta, causando sobreexcitación e un zumbido máis forte.

• Ruido de harmónicos de orde superior: irregular en patrón—variando en volume e presente intermitentemente. Principalmente causado por equipos xeradores de harmónicos (por exemplo, fornos eléctricos, rectificadores de tiristor) no lado de suministro ou carga, retroalimentando harmónicos ao transformador.

• Factores ambientais: sala de transformador pequena con paredes lisas que crea un efecto "caixa de altifalantes" resonante, amplificando o ruido percibido.

12.2 Visualización anómala da temperatura

• Sensor non insertado no soquete trasero da unidade de visualización de temperatura—luz indicadora de fallo ilumínase;

• Conexión frouxa no conector do sensor aumenta a resistencia, provocando lecturas de temperatura falsamente altas;

• Lectura de temperatura infinita nunha fase indica un circuito aberto no filo de resistencia de platino do sensor;

• Lectura anormalmente alta nunha fase suxire que o resistor de platino está en estado parcialmente roto (intermitente).

Un transformador funciona segundo o principio da indución electromagnética. Os compoñentes principais dun transformador son os enrolamentos e o núcleo. Durante a operación, os enrolamentos serven como camiño para a corrente eléctrica, mentres que o núcleo serve como camiño para o fluxo magnético. Cando a enerxía eléctrica entra no enrolamento primario, a corrente alternativa crea un campo magnético alternativo no núcleo (é dicir, a enerxía eléctrica convértese en enerxía de campo magnético). Debido á ligazón magnética (ligazón de fluxo), o fluxo magnético que pasa polo enrolamento secundario cambia continuamente, inducindo así unha forza electromotriz (FEM) no enrolamento secundario. Cando se conecta un circuito externo, a enerxía eléctrica entégase á carga (é dicir, a enerxía de campo magnético convértese de novo en enerxía eléctrica). Este proceso de conversión "electricidade–magnetismo–electricidade" realiza-se segundo o principio da indución electromagnética, e este proceso de conversión de enerxía constitúe o principio de funcionamento dun transformador.