Transformadores Secos SCB & SGB Explicados

1. Introdução

Um transformador opera com base no princípio da indução eletromagnética. Os principais componentes de um transformador são as bobinas e o núcleo. Durante a operação, as bobinas servem como caminho para a corrente elétrica, enquanto o núcleo serve como caminho para o fluxo magnético. Quando a energia elétrica é fornecida à bobina primária, a corrente alternada cria um campo magnético alternado no núcleo (ou seja, a energia elétrica é convertida em energia do campo magnético). Devido ao acoplamento magnético (ligação de fluxo), o fluxo magnético que passa pela bobina secundária muda continuamente, induzindo assim uma força eletromotriz (FEM) na bobina secundária. Quando um circuito externo está conectado, a energia elétrica é entregue à carga (ou seja, a energia do campo magnético é convertida de volta em energia elétrica). Este processo de conversão "eletricidade–magnetismo–eletricidade" é realizado com base no princípio da indução eletromagnética, e este processo de conversão de energia constitui o princípio de funcionamento de um transformador.

U1N2 = U2N1

U1: Tensão Primária；N1: Número de Voltas da Bobina Primária；U2: Tensão Secundária；N2: Número de Voltas da Bobina Secundária

De acordo com o padrão nacional chinês GB 1094.16, um transformador seco é claramente definido como um transformador cujo núcleo e bobinas não estão imersos em líquido isolante. Seu meio isolante e de resfriamento é o ar. Em sentido amplo, os transformadores secos podem ser divididos em dois tipos principais: encapsulados e abertos.

• O tipo "SC(B)" refere-se a um transformador seco encapsulado com resina epóxi (a "B" na designação do modelo indica que as bobinas são feitas de folha de cobre; a "B" em "SG(B)" tem o mesmo significado). A bobina de alta tensão é totalmente encapsulada com resina epóxi, enquanto a bobina de baixa tensão geralmente não é totalmente encapsulada com resina epóxi—apenas as voltas finais são seladas com resina epóxi (isso também ocorre porque o lado de baixa tensão carrega corrente mais alta, e o encapsulamento total afetaria negativamente a dissipação de calor). Atualmente, os transformadores secos do tipo SC(B) são os produtos principais no mercado, e este artigo os usa como exemplo para análise. A maioria dos transformadores do tipo SC(B) tem isolamento Classe F, com alguns classificados como Classe H.

• O tipo "SG(B)" é um transformador seco aberto que utiliza papel isolante NOMEX da DuPont (EUA) para isolamento entre voltas. A bobina de baixa tensão é feita de folha de cobre, e ambas as bobinas de alta e baixa tensão passam por tratamento de isolamento VPI (Impregnação sob Pressão a Vácuo). A superfície é revestida com uma camada de verniz isolante de resina epóxi. A maioria dos transformadores secos do tipo SG(B) tem isolamento Classe H, com alguns classificados como Classe C.

• Existe outro tipo de transformador seco, designado como "SCR(B)", que é do tipo encapsulado, mas não é encapsulado com resina epóxi. É totalmente encapsulado usando papel NOMEX e gel de silicone, com base na tecnologia francesa. Este produto tem demanda de mercado muito limitada. Todos os transformadores secos do tipo SCR(B) têm isolamento Classe H.

2 Vantagens dos Transformadores Secos

• Seguros, retardantes de chama, à prova de fogo, à prova de explosão, sem poluição e podem ser instalados diretamente no centro de carga;

• Sem manutenção, com baixos custos operacionais totais;

• Excelente resistência à umidade—pode operar normalmente com 100% de umidade e pode ser reenergizado sem pré-seca após estar desligado;

• Baixas perdas, baixa descarga parcial, baixo ruído, forte dissipação de calor e capaz de operar a 150% da carga nominal sob condições de resfriamento forçado a ar;

• Equipado com um sistema completo de proteção e controle de temperatura, fornecendo garantia confiável para a operação segura;

• Tamanho compacto, peso leve, pequena área de ocupação e baixo custo de instalação.

3 Desvantagens dos Transformadores Secos

• Para a mesma capacidade e classificação de tensão, os transformadores secos são mais caros do que os transformadores imersos em óleo;

• A classificação de tensão é limitada—geralmente até 35 kV, com apenas alguns modelos atingindo 110 kV;

• Geralmente usados internamente; quando usados externamente, é necessário um invólucro protetor com alto grau de proteção (IP);

• Para as bobinas de resina moldada, se danificadas, geralmente precisam ser descartadas inteiramente, pois a reparação costuma ser difícil.

4. Estrutura dos Transformadores Secos

4.1 Bobinas
(1) Bobina em camadas: Feita empilhando condutores planos ou redondos e enrolando-os em espiral para formar múltiplas camadas. Isolamento ou dutos de ventilação são colocados entre as camadas. A bobina é moldada e curada sob vácuo usando um molde e equipamento de moldagem especializado. Processo: enrolamento em espiral empilhado → colocado no molde → moldagem sob vácuo.

(2) Bobina de fita: Feita enrolando condutores finos e largos, com uma volta por camada. O isolamento intercamadas também serve como isolamento entre voltas. As bobinas de fita geralmente usam dutos de resfriamento axial: durante o enrolamento, tiras de espaçamento são inseridas em posições de voltas designadas e posteriormente removidas para formar canais de ar axiais. Após o enrolamento em uma máquina de enrolamento de fita, a bobina só precisa ser aquecida e curada—não é necessário molde ou moldagem.

Por que o enrolamento de alta tensão é colocado na camada externa e o de baixa tensão na camada interna?
Porque o lado de baixa tensão opera em uma tensão mais baixa e requer um menor espaço de isolamento, colocá-lo mais próximo do núcleo reduz a distância entre o enrolamento e o núcleo, diminuindo assim o tamanho e o custo geral do transformador. Além disso, o enrolamento de alta tensão geralmente possui conexões de toque; colocá-lo no exterior torna a operação mais conveniente e segura.

4.2 Núcleo

• Construído por meio da empilhamento de múltiplas laminas de aço silício revestidas com verniz isolante;

• O núcleo é principalmente fixado por quadros de aperto e parafusos de aperto;

• Os quadros de aperto superior e inferior comprimem o núcleo e os enrolamentos através de barras ou placas de ligação;

• Os componentes de isolamento do núcleo incluem isolamento do quadro, isolamento dos parafusos, ou isolamento das placas de ligação.

Por que o núcleo deve ser aterrado?
Durante a operação normal, o núcleo do transformador deve ter um e apenas um ponto de aterramento confiável. Sem aterramento, uma tensão flutuante se desenvolveria entre o núcleo e o solo, levando a descargas intermitentes do núcleo para o solo. Aterrar o núcleo em um único ponto elimina a possibilidade de potencial flutuante. 

No entanto, se o núcleo for aterrado em dois ou mais pontos, as diferenças de potencial entre as seções do núcleo causarão correntes circulantes entre os pontos de aterramento, resultando em falhas de aterramento múltiplos e superaquecimento localizado. Tais falhas de aterramento do núcleo podem causar um aumento severo de temperatura local, potencialmente acionando o disparo de proteção. Em casos extremos, pontos derretidos no núcleo criam curtos-circuitos entre as laminas, aumentando significativamente as perdas do núcleo e afetando severamente o desempenho e a operação do transformador—às vezes exigindo a substituição das laminas de aço silício para reparo. Portanto, os transformadores não devem ter múltiplos pontos de aterramento; apenas um e exatamente um ponto de aterramento é permitido.

5. Sistema de Controle de Temperatura

A operação segura e a vida útil de um transformador seco dependem em grande parte da segurança e confiabilidade do isolamento dos enrolamentos. Se a temperatura dos enrolamentos exceder o limite térmico do isolamento, o isolamento será danificado—esta é uma das principais razões para a falha do transformador. Portanto, monitorar a temperatura de operação e implementar controles de alarme e disparo são críticamente importantes.

(1) Controle automático de ventilador: Os sinais de temperatura são medidos por detectores de resistência Pt100 embutidos na parte mais quente do enrolamento de baixa tensão. À medida que a carga do transformador aumenta e a temperatura de operação sobe, o sistema inicia automaticamente os ventiladores de resfriamento quando a temperatura do enrolamento atinge 110°C, e os desliga quando a temperatura cai para 90°C.

(2) Alarme de alta temperatura e disparo por superaquecimento: Os sinais de temperatura dos enrolamentos ou do núcleo são coletados por termistores PTC não lineares embutidos no enrolamento de baixa tensão. Se a temperatura do enrolamento continuar a subir e atingir 155°C, o sistema emite um sinal de alarme de superaquecimento. Se a temperatura aumentar ainda mais para 170°C, o transformador não pode mais operar com segurança, e um sinal de disparo por superaquecimento deve ser enviado ao circuito de proteção secundário.

(3) Sistema de exibição de temperatura: As temperaturas são medidas por termistores Pt100 embutidos no enrolamento de baixa tensão e exibem diretamente a temperatura de cada fase do enrolamento (com monitoramento de três fases, exibição do valor máximo e registro da temperatura máxima histórica). O sistema fornece uma saída analógica de 4–20 mA para a temperatura mais alta. Se a transmissão remota para um computador for necessária (até 1200 metros de distância), pode ser equipado com uma interface de computador e um transmissor, permitindo o monitoramento simultâneo de até 31 transformadores. O sinal do termistor Pt100 também pode acionar alarmes e disparos por superaquecimento, aumentando ainda mais a confiabilidade do sistema de proteção de temperatura.

6. Caixa de Transformadores Secos

Dependendo das características do ambiente de operação e dos requisitos de proteção, os transformadores secos podem ser equipados com diferentes tipos de caixas. Geralmente, é selecionada uma caixa com classificação IP20, que impede a entrada de objetos sólidos maiores que 12 mm de diâmetro e pequenos animais como ratos, cobras, gatos e pássaros no transformador, evitando falhas graves como curtos-circuitos e quedas de energia, e fornecendo uma barreira de segurança para as partes energizadas.

Se o transformador precisar ser instalado ao ar livre, pode ser usada uma caixa com classificação IP23. Além da proteção oferecida pela IP20, ela também impede a queda de gotas de água em ângulos de até 60° a partir da vertical. No entanto, a caixa IP23 reduz a capacidade de resfriamento do transformador, portanto, deve-se prestar atenção na redução adequada de sua capacidade operacional quando esta caixa for selecionada.

7. Métodos de Refrigeração de Transformadores Secos

Os transformadores secos utilizam dois métodos de refrigeração: arrefecimento natural (AN) e arrefecimento forçado (AF).

Com o arrefecimento natural, o transformador pode operar continuamente em sua capacidade nominal por um período prolongado.

Com o arrefecimento forçado, a capacidade de saída do transformador pode ser aumentada em 50%, tornando-o adequado para operação sobrecarregada intermitente ou condições de sobrecarga de emergência. No entanto, durante a operação sobrecarregada, as perdas de carga e a tensão de impedância aumentam significativamente, resultando em operação não econômica; portanto, a operação sobrecarregada contínua prolongada deve ser evitada.

8.Itens de Teste para Transformadores Secos

• Medição da resistência DC dos enrolamentos:
  Verifica a qualidade da soldagem dos condutores internos, a condição de contato entre os reatores de derivação e as ligas, e se as resistências das fases estão desequilibradas. Geralmente, o desequilíbrio de resistência entre linhas não deve exceder 2%, e o desequilíbrio fase a fase não deve exceder 4%. Um desequilíbrio excessivo de resistência DC pode causar correntes circulantes entre as três fases, aumentando as perdas de corrente circulante e levando a efeitos indesejáveis, como superaquecimento do transformador.

• Verificação da relação de tensão em todas as posições de derivação:
  Verifica se o número de espiras está correto e se todas as ligações de derivação estão adequadamente conectadas. Quando aplicados 1000 V no lado de alta tensão (e suas várias derivações), verifica-se se o transformador produz aproximadamente 400 V no lado de baixa tensão.

• Verificação do grupo de conexão de enrolamentos trifásicos e polaridade.

• Medição da resistência de isolamento dos fixadores isolados do núcleo e do próprio núcleo.

• Medição da resistência de isolamento dos enrolamentos:
  Avalia o nível de isolamento entre os enrolamentos de alta tensão, baixa tensão e terra. Geralmente, utiliza-se um megômetro de 2500 V, e os valores de resistência de isolamento medidas (HT-BT, HT-terra, BT-terra) devem exceder os valores padrão especificados.

• Teste de tensão alternada de resistência dos enrolamentos:
  Avalia a força do isolamento principal entre HT, BT e terra através de testes de resistência dielétrica. Este teste é decisivo na detecção de defeitos localizados introduzidos durante a fabricação. Para transformadores secos, as tensões de teste típicas são: 35 kV para o enrolamento de 10 kV e 3 kV para o enrolamento de 0,4 kV, cada uma aplicada por 1 minuto sem quebra para ser considerada aceitável.

• Testes de comutação e intertravamento para disjuntores em todos os lados do transformador:
  Verifica a confiabilidade das operações de relés de proteção e confirma que o equipamento de comutação está intacto e sem defeitos.

9. Teste de Comutação Impulsiva (Inrush)

(1) Ao desconectar um transformador vazio, pode ocorrer sobretensão de comutação. Em sistemas de energia com neutro não aterrado ou aterrado através de um bobinado de supressão de arco, a magnitude da sobretensão pode atingir 4–4,5 vezes a tensão de fase; em sistemas com neutro aterrado diretamente, pode atingir até 3 vezes a tensão de fase. Para verificar se o isolamento do transformador pode suportar a tensão total ou a sobretensão de comutação, é necessário realizar um teste impulsivo.

(2) A energização de um transformador vazio produz corrente de inrush magnético, que pode atingir 6–8 vezes a corrente nominal. A corrente de inrush decresce rapidamente inicialmente—geralmente reduzindo-se a 0,25–0,5 vezes a corrente nominal em 0,5–1 segundo—mas a decomposição completa pode levar muito mais tempo, até dezenas de segundos para transformadores de grande capacidade. Devido às grandes forças eletromagnéticas geradas pela corrente de inrush, o teste impulsivo é realizado para avaliar a resistência mecânica do transformador e verificar se os relés de proteção podem mal funcionar durante a fase inicial de decomposição da corrente de inrush.
Geralmente, transformadores recém-instalados passam por 5 testes impulsivos, enquanto transformadores revisados passam por 3 testes impulsivos.

10. Teste Sem Carga

O objetivo do teste sem carga é:

• Medir a perda e a corrente sem carga do transformador;

• Verificar se o design e a fabricação do núcleo atendem às especificações e padrões técnicos;

• Detectar defeitos no núcleo, como superaquecimento local ou isolamento local inadequado.

Durante o teste, o lado de alta tensão é aberto, e a tensão nominal é aplicada ao lado de baixa tensão. A perda sem carga é principalmente perda de núcleo (ferro).

Defeitos detectáveis através do teste sem carga incluem:

• Isolamento inadequado entre as laminas de aço silício;

• Curto-circuito local ou danos por queima entre as laminas do núcleo;

• Falha de isolamento em parafusos de travessia do núcleo, tiras de aço de amarração, placas de aperto, iômes superiores, etc., causando curtos-circuitos;

• Laminas de aço silício soltas, desalinhadas ou excesso de espaços de ar no circuito magnético;

• Aterramento múltiplo do núcleo;

• Curto-circuito entre espiras ou camadas nos enrolamentos, ou número desigual de espiras em ramos paralelos causando desequilíbrio de ampere-espiras;

• Uso de chapas de aço silício de alta perda e baixa qualidade ou erros nos cálculos de projeto.

11.Teste de Curto-Circuito

O teste de curto-circuito mede principalmente as perdas por curto-circuito e a impedância. É realizado na comissão para verificar a correção da estrutura do enrolamento, e após a substituição do enrolamento para verificar desvios significativos em relação aos resultados anteriores do teste.

A fonte de alimentação de teste pode ser trifásica ou monofásica, aplicada ao lado de alta tensão enquanto o lado de baixa tensão está em curto-circuito. Durante o teste, a corrente do lado de alta tensão é elevada para seu valor nominal, e a corrente do lado de baixa tensão é controlada para permanecer na corrente nominal.

12.Manuseio de Condições Anormais de Transformadores Secos

12.1 Ruído Anormal do Transformador

• Ruído mecânico causado por:

• Parafusos de fixação do núcleo soltos;

• Deformação dos cantos do núcleo devido a mau manuseio durante o transporte ou instalação;

• Objetos estranhos ponteando partes do núcleo;

• Parafusos de montagem do ventilador soltos ou detritos estranhos dentro do ventilador;

• Parafusos de montagem da carcaça soltos, causando vibração e ruído do painel;

• Parafusos de fixação da barra de baixa tensão soltos ou falta de conexões flexíveis, levando a vibração e ruído.

• Tensão de entrada excessivamente alta causando superexcitação e um zumbido mais alto.

• Ruído de harmônicos de ordem superior: irregular no padrão—variando em volume e intermitentemente presente. Principalmente causado por equipamentos geradores de harmônicos (por exemplo, fornos elétricos, retificadores de tiristores) no lado de fornecimento ou carga, alimentando harmônicos de volta ao transformador.

• Fatores ambientais: sala pequena de transformador com paredes lisas cria um efeito "caixa de som" ressonante, amplificando o ruído percebido.

12.2 Exibição Anormal de Temperatura

• Sensor não inserido na tomada na parte traseira da unidade de exibição de temperatura—luz indicadora de falha acende;

• Conexão solta no plugue do sensor aumenta a resistência, causando leituras de temperatura falsamente altas;

• Leitura de temperatura infinita em uma fase indica um circuito aberto no fio de resistência de platina do sensor;

• Leitura anormalmente alta em uma fase sugere que o resistor de platina está em um estado parcialmente quebrado (intermitente).

Um transformador opera com base no princípio da indução eletromagnética. Os componentes principais de um transformador são os enrolamentos e o núcleo. Durante a operação, os enrolamentos servem como caminho para a corrente elétrica, enquanto o núcleo serve como caminho para o fluxo magnético. Quando a energia elétrica é fornecida ao enrolamento primário, a corrente alternada cria um campo magnético alternado no núcleo (ou seja, a energia elétrica é convertida em energia de campo magnético). Devido ao acoplamento magnético (ligação de fluxo), o fluxo magnético passando pelo enrolamento secundário muda continuamente, induzindo uma força eletromotriz (FEM) no enrolamento secundário. Quando um circuito externo é conectado, a energia elétrica é entregue à carga (ou seja, a energia de campo magnético é convertida de volta em energia elétrica). Este processo de conversão "eletricidade–magnetismo–eletricidade" é realizado com base no princípio da indução eletromagnética, e este processo de conversão de energia constitui o princípio de funcionamento de um transformador.