Com es diagnostiquen els errors dels transformadors i es redueix el soroll

Amb el ràpid desenvolupament de l'economia xinesa, la indústria elèctrica també s'ha anat expandint gradualment en escala, augmentant les exigències tant per la capacitat instal·lada com per la capacitat unitària dels transformadors d'energia. Aquest article proporciona una breu introducció a quatre aspectes: construcció dels transformadors, protecció contra els raigs, faltes dels transformadors i soroll dels transformadors.

Un transformador és un dispositiu elèctric comunament utilitzat capaç de convertir energia elèctrica alternativa. Pot transformar una forma d'energia elèctrica (corrent i tensió alternativa) en una altra forma d'energia elèctrica (amb la mateixa freqüència de corrent i tensió alternativa). En aplicacions pràctiques, la funció principal d'un transformador és canviar els nivells de tensió, facilitant així la transmissió d'energia. 

Segons la relació entre la tensió de sortida i la tensió d'entrada, els transformadors es classifiquen com a transformadors rebaixadors o elevadors. Un transformador amb una relació de tensió inferior a 1 es diu transformador rebaixador, la seva funció principal és subministrar les tensions necessàries per a diversos dispositius elèctrics, assegurant que els usuaris rebin la tensió adequada. Un transformador amb una relació de tensió superior a 1 es diu transformador elevador, la seva funció principal és reduir els costos de transmissió, minimitzar les pèrdues d'energia durant la transmissió i estendre la distància de transmissió.

Construcció dels Transformadors
Amb els transformadors de mitja i gran capacitat, es proporciona un dipòsit d'oli tancat, omplert d'oli de transformador. Les bobines i el nucli del transformador es troben immersos en l'oli per aconseguir una millor dissipació de calor. Es fan servir forats aïllants per treure les bobines i connectar-les a circuits externs. Un transformador consta principalment dels següents components: dispositiu de regulació de tensió, cos principal, dispositius de terminals de sortida, dipòsit d'oli, dispositius protectors i dispositius de refrigeració. El dispositiu de regulació de tensió es divideix en interruptors de derivació sobrecarregats i no sobrecarregats, essencialment un tipus d'interruptor de derivació; el cos principal consisteix en condutores, nucli, estructura d'aïllament i bobines; els dispositius de terminals de sortida inclouen forats de baixa i alta tensió; el dipòsit d'oli inclou accessoris (incloent valvules d'amostra d'oli, plaques identificatives, valvules d'evacuació, llavardes de terra i rodes) i el cos principal del dipòsit (incloent el fons, les parets i la coberta); els dispositius protectors inclouen respiradors dessecants, relés de gas, tanques de conservació, relés de flotador d'oli, indicadors de nivell d'oli, sensors de temperatura i ventiladors de seguretat; els dispositius de refrigeració consisteixen en refredadors i radiadors.

Soroll dels Transformadors i Mesures de Mitigació
Els transformadors sovint produeixen soroll durant la seva operació, principalment degut a forces electromagnètiques que causen vibracions en el cos principal i magnetoestrictió en fulls de silici ferrosi sota camps magnètics, així com soroll generat per ventiladors i ventiladors de sistemes de refrigeració. El sistema auditu humà només pot percebre sons dins d'un cert rang de freqüències de vibració; quan la freqüència està entre 16 Hz i 2000 Hz, es pot escoltar. L'ultrasò sobre aquest rang i l'infrasò per sota no es poden percebre. El soroll es propaga des del nucli cap a l'aire, les bobines i les estructures de clavatge—aquest és el camí principal de transmissió del soroll dels transformadors d'energia. El soroll es pot reduir disminuint la densitat de flux magnètic i minimitzant la magnetoestrictió en fulls de silici ferrosi del nucli. No obstant això, reduir la densitat de flux incrementa la mida del nucli i el nombre de fulls de silici ferrosi, augmentant els costos. Per reduir el soroll sense incrementar els costos, afegir components d'amortiment és efectiu. Per exemple, col·locar espaiadors de cauca de goma entre la bobina de baixa tensió i el nucli pot apretar la bobina i proporcionar ammortiment. Aquesta estructura d'amortiment ajuda a reduir el soroll durant la seva propagació.

Protecció contra els Raigs dels Transformadors
A la Xina, cada any es danïssen un gran nombre de transformadors a causa de raigs. Segons les autoritats competents, entre els transformadors de distribució de 10 kV dañats, un 4%–10% són dañats a causa de raigs. Les connexions inadequades de conductors de terra i l'instal·lació incorrecta de para-raigs dels transformadors són les principals causes de daños relacionats amb raigs. Els problemes clau inclouen: aterrament separat de para-raigs als costats de alta i baixa tensió i el punt neutre del transformador; conductors de terra excessivament llargs i seccions de conductor de terra insuficients; absència de para-raigs al costat de baixa tensió; utilitzar l'estructura de suport com a conductor de terra per para-raigs al costat de alta tensió; i no realitzar proves preventives en para-raigs.

Faltes dels Transformadors
Quan es produeixen qualsevol dels següents canvis en un transformador, es pot realitzar un anàlisi de faltes basat en la seva condició operativa real: el transformador provoca un tall d'electricitat a causa d'un accident o experimenta fenòmens com un curt-circuit a la sortida, però encara no s'ha desmuntat; apareixen fenòmens anòmals durant la operació, obligant els operadors a aturar el transformador per a inspeccions o proves; durant proves preventives, acceptació de manteniment o posada en marxa en condicions normales de tall d'electricitat, un o més valors de paràmetres superen els límits estàndards. Si ocorre qualsevol de les situacions anteriors durant l'ús real, el transformador hauria de sotmetre's immediatament a inspeccions i proves rellevants per assegurar-se que pot funcionar normalment.

Passos per Determinar la Presència d'una Falta:

• Primer, determinar la possibilitat d'una falta, i si és una falta evident (visible) o oculta (latent).

• Segon, identificar la naturalesa de la falta—si és una falta relacionada amb l'oli o una falta d'aïllament sòlid, una falta tèrmica o una falta elèctrica.

• Tercer, factors com la potència de la falta, el temps fins a l'activació del relé a causa de la saturació, la gravetat, la tendència de desenvolupament, la temperatura del punt calent i el nivell de saturació de gas a l'oli són indicadors comuns per determinar la presència d'una falta.

• Quart, trobar un mètode adequat per gestionar l'incident. Si el transformador encara pot funcionar després de l'incident, determinar durant la operació si són necessàries ajustos en les mesures de seguretat i mètodes de monitorització, i si són requerits inspeccions o reparacions internes.

Diverses causes poden portar a faltes dels transformadors, que es poden classificar de diverses maneres. Per exemple, per tipus de circuit, es poden categoritzar com faltes de circuit d'oli, faltes de circuit magnètic i faltes de circuit elèctric. Actualment, la falta més freqüent i severa dels transformadors és el curt-circuit a la sortida, que també pot desencadenar faltes de descàrrega. Les faltes de curt-circuit en els transformadors solen referir-se a curts-circuits interfasials dins del transformador, faltes de terra en condutores o bobines, i curts-circuits a la sortida.

Molts accidents resulten d'aquestes faltes. Per exemple, un curt-circuit a la sortida de baixa tensió d'un transformador sovint requereix el canvi de la bobina afectada; en casos greus, totes les bobines podrien necessitar ser canviades, causant grans pèrdues econòmiques i conseqüències. Les faltes de curt-circuit dels transformadors mereixen atenció seria. Per exemple, un transformador (110 kV, 31.5 MVA, model SFS2E8-31500/110) va experimentar un accident de curt-circuit, acompanyat de salt de tots els commutadors de tres costats del transformador principal i activació de la protecció de gas pesant.

Després de retornar el transformador a la fàbrica per a reparació, la inspecció durant el levantament de la cova va revelar: òxid a la base i al nucli superior (a causa de la pluja durant l'accident); deformació severa de la bobina de mitjana tensió en fase C, col·laps de la bobina de alta tensió en fase C, i curt-circuit entre les bobines de baixa i mitjana tensió causat pel desplaçament de les plaques de clavatge; deformació severa de les bobines de mitjana i baixa tensió en fase B; la bobina de baixa tensió en fase C es va cremar en dos seccions; i moltes partícules fines de cobre i perlotes de cobre entre les voltes de bobina. Les causes principals van incloure: força d'aïllament insuficient de l'estructura d'aïllament; bandes de clavatge mal alineades, ausència de pads, i desplaçament llarg; i bobines floxes.

La descàrrega principalment deteriora l'aïllament dels transformadors, manifestant-se en dos aspectes: Primer, els gasos actius produïts per la descàrrega—com els oxides de clori, ozó i calor—provocaven reaccions químiques en certes condicions, causant corrosió local de l'aïllament, increment de la pèrdua dielèctrica, i finalment ruptura tèrmica. Segon, les partícules de descàrrega bombardissen directament l'aïllament, causant dany local de l'aïllament que s'expandia gradualment i finalment rompia.

Per exemple, un transformador (63 MVA, 220 kV) va experimentar descàrrega a 1.5 vegades la tensió, acompanyada de sons audibles de descàrrega i nivells de descàrrega tan alts com 4000–5000 pC. Quan la tensió de prova intervolta es va reduir a 1.0 vegades i el mètode de prova de fi de línia es va canviar a 1.5 vegades la tensió de suport, no es va produir cap so de descàrrega i el nivell de descàrrega va caure dràsticament a menys de 1000 pC. Després de la desmuntatge i inspecció, es van trobar traços de descàrrega en forma d'arbre a l'angle de l'aïllament de la vora, principalment a causa del material d'aïllament subestàndard.

Un cop es produeix una descàrrega parcial a la superfície de l'aïllament sòlid, especialment quan hi ha components normals i tangencials de la força del camp elèctric, l'accident resultant és el més sever. Les faltes de descàrrega parcial poden ocurrir en qualsevol lloc amb material d'aïllament defectuós o camps elèctrics concentrats, com entre voltes de bobina, als conductors de les pantalla electroestàtiques de bobines de alta tensió, entre barreres de fase, i als conductors de alta tensió.

Els transformadors són dispositius elèctrics ampliament utilitzats en circuits electrònics i sistemes d'energia. Com a equipament clau en l'ús, distribució i transmissió d'energia, els transformadors juguen un paper irreplaceble. Per tant, es hauria de prestar més atenció als transformadors en aplicacions pràctiques.