Como diagnosticar fallos nos transformadores e reducir o ruido

Con o rápido desenvolvemento da economía chinesa, a industria eléctrica tamén ampliou gradualmente a súa escala, aumentando as solicitacións tanto para a capacidade instalada como para a capacidade unitaria dos transformadores de potencia. Este artigo ofrece unha breve introdución a catro aspectos: construción do transformador, protección contra raios do transformador, fallos do transformador e ruído do transformador.

O transformador é un dispositivo eléctrico comúnmente utilizado capaz de converter a enerxía eléctrica AC. Pode transformar unha forma de enerxía eléctrica (corrente e voltaxe alternas) noutra forma de enerxía eléctrica (con a mesma frecuencia de corrente e voltaxe alternas). Nas aplicacións prácticas, a función principal do transformador é cambiar os niveis de voltaxe, facendo que a transmisión de enerxía sexa máis conveniente. 

Segundo a relación entre a voltaxe de saída e a voltaxe de entrada, os transformadores clasifícanse como transformadores reductores ou elevadores. Un transformador cunha relación de voltaxes menor que 1 chámase transformador reductor, cuxa función principal é fornecer as voltagens necesarias para diversos dispositivos eléctricos, asegurando que os usuarios reciban a voltagem adecuada. Un transformador cunha relación de voltaxes maior que 1 chámase transformador elevador, que principalmente funciona para reducir os custos de transmisión, minimizar as perdas de potencia durante a transmisión e estender a distancia de transmisión.

Construción do Transformador
Nos transformadores de potencia de capacidade media e grande, proporcionase un tanque de aceite hermético, cheo de aceite de transformador. As bobinas e o núcleo do transformador están imersos no aceite para lograr unha mellor dissipación de calor. Utilízanse embutidos aislantes para sacar as bobinas e conectar con circuitos externos. Un transformador compónese principalmente dos seguintes componentes: dispositivo regulador de voltaxe, corpo principal, dispositivos de terminais de saída, tanque de aceite, dispositivos protexentes e dispositivos de refrixeración. O dispositivo regulador de voltaxe divide en interruptores de derivación sobrecarga e sen carga, esencialmente un tipo de interruptor de derivación; o corpo principal consiste en conductores, núcleo, estrutura aislante e bobinas; os dispositivos de terminais de saída inclúen embutidos de baixa e alta tensión; o tanque de aceite comprende accesorios (incluíndo válvulas de muestreo de aceite, placas de identificación, válvulas de drenaxe, parafusos de terra e rodas) e o corpo principal do tanque (incluíndo o fondo do tanque, paredes e tapa); os dispositivos protexentes inclúen respiradores deshidratantes, relés de gas, tanques conservadores, relés de flotador de aceite, indicadores de nivel de aceite, sensores de temperatura e válvulas de seguridade; os dispositivos de refrixeración consisten en refrixeiras e radiadores.

Ruído do Transformador e Medidas de Mitigación
Os transformadores producen soamente durante a operación, principalmente debido ás forzas electromagnéticas que causan vibración do corpo principal e a magnetoestrición nas lamas de silicio debaixo de campos magnéticos, así como o ruido xerado por ventiladores e sopladores do sistema de refrixeración. O sistema auditivo humano só pode percibir son dentro dunhas frecuencias de vibración determinadas; cando a frecuencia está entre 16 Hz e 2000 Hz, pódese escoitar. O ultrasonido por riba desta gama e o infrasonido por debaixo non poden ser percebidos. O ruido propágase desde o núcleo ao aire, as bobinas e as estruturas de apertura—esta é a principal vía de transmisión do ruido do transformador de potencia. O ruido pode reducirse diminuíndo a densidade de fluxo magnético e minimizando a magnetoestrición nas lamas de silicio do núcleo. Pero, reducir a densidade de fluxo aumenta o tamaño do núcleo e o número de lamas de silicio, aumentando os custos. Para reducir o ruido sen aumentar os custos, é efectivo engadir componentes de amortiguación. Por exemplo, colocar espaciadores de caucho adaptados entre a bobina de baixa tensión e o núcleo pode axudar a apertar a bobina e proporcionar amortiguación. Esta estrutura de amortiguación axuda a reducir o ruido durante a súa propagación.

Protección contra Raios do Transformador
En China, un gran número de transformadores danñanse anualmente debido a descargas atmosféricas. Segundo as autoridades competentes, entre os transformadores de distribución de 10 kV danñados, o 4%–10% danñanse debido a descargas atmosféricas. As conexións incorrectas de conductores de terra e a instalación incorrecta de pararrayos de transformadores son as principais causas de danos relacionados coa descarga atmosférica. Os problemas clave inclúen: aterramento separado de pararrayos de lado de alta e baixa tensión e o punto neutro do transformador; conductores de terra demasiado longos e seccións transversais de conductores de terra demasiado pequenas; ausencia de pararrayos no lado de baixa tensión; uso da estrutura de soporte como conductor de terra para pararrayos de lado de alta tensión; e a falta de realización de ensaios preventivos en pararrayos.

Fallos do Transformador
Cando ocorran algunha das seguintes cambios nun transformador, pódese realizar unha análise de fallos baseada na súa condición de operación real: o transformador causa un cortocircuito debido a un accidente ou experimenta fenómenos como un cortocircuito na saída, pero aínda non se realizou a desmontaxe; ocorren fenómenos anómalos durante a operación, forzando aos operadores a apagar o transformador para inspección ou proba; durante ensaios preventivos, aceptación de manutención ou puesta en marcha en condicións normais de apagado, un ou máis valores de parámetros superan os límites estándar. Se calquera das situacións anteriores ocorre durante o uso real, o transformador debe someterse inmediatamente a inspeccións e probas relevantes para asegurar que poida funcionar normalmente.

Pasos para Determinar a Presenza de un Fallo:

• Primeiro, determinar a posibilidade de un fallo, e se é un fallo obvio (visible) ou oculto (latente).

• Segundo, identificar a natureza do fallo—se é un fallo relacionado co aceite ou un fallo de aislamento sólido, un fallo térmico ou un fallo eléctrico.

• Terceiro, factores como a potencia do fallo, o tempo ata a activación do relé debido á saturación, a gravidade, a tendencia de desenvolvemento, a temperatura do punto quente e o nivel de saturación de gases no aceite son indicadores comúns para determinar a presenza de un fallo.

• Cuarto, atopar un método axeitado para tratar o incidente. Se o transformador aínda pode operar despois do incidente, determinar durante a operación se as medidas de seguridade e métodos de monitorización necesitan axuste, e se é necesario unha inspección interna ou reparación.

As causas dos fallos do transformador poden ser múltiples e poden clasificarse de varias maneiras. Por exemplo, segundo o tipo de circuito, poden categorizarse como fallos de circuito de aceite, fallos de circuito magnético e fallos de circuito eléctrico. Actualmente, o fallo de transformador máis frecuente e grave é o cortocircuito na saída, que tamén pode desencadear fallos de descarga. Os fallos de cortocircuito nos transformadores comunmente refírense a cortocircuitos entre fases dentro do transformador, fallos de terra nos conductores ou bobinas, e cortocircuitos na saída.

Moitos accidentes resultan de tales fallos. Por exemplo, un cortocircuito na saída de baixa tensión dun transformador adoita requerir a substitución da bobina afectada; en casos graves, pode ser necesario substituír todas as bobinas, causando importantes perdas económicas e consecuencias. Os cortocircuitos de transformadores merecen atención seria. Por exemplo, un transformador (110 kV, 31,5 MVA, modelo SFS2E8-31500/110) experimentou un accidente de cortocircuito, acompañado do salto de interruptores dos tres lados do transformador principal e a activación da protección de gas pesado.

Despois de devolver o transformador á fábrica para reparación, a inspección durante a levantada da campana revelou: óxido tanto na base como no núcleo superior (debido á choiva durante o accidente); deformación severa da bobina de media tensión na fase C, colapso da bobina de alta tensión na fase C, e cortocircuito entre as bobinas de baixa e media tensión debido ao desprazamento das placas de apertura; deformación severa das bobinas de media e baixa tensión na fase B; a bobina de baixa tensión na fase C queimada en dúas seccións; e numerosas partículas finas de cobre e contas de cobre entre as vueltas da bobina. As causas principais incluíron: insuficiente resistencia aislante da estrutura aislante; tiras de apertura mal alineadas, falta de almofadas, e desprazamento suelto; e bobinas sueltas.

A descarga danifica principalmente o aislamento do transformador, manifestándose en dous aspectos: Primeiro, os gases activos producidos pola descarga—como óxidos de cloro, ozono e calor—causan reaccións químicas en certas condicións, levando á corrosión local do aislamento, aumento da perda dieléctrica e, finalmente, a un rompimento térmico. Segundo, as partículas de descarga bombardean directamente o aislamento, causando un danño local do aislamento que se expande gradualmente e, finalmente, rompe.

Por exemplo, un transformador (63 MVA, 220 kV) experimentou descarga a 1,5 veces a voltagem, acompañada de sons audibles de descarga e níveis de descarga tan altos como 4000–5000 pC. Cando a voltagem de proba entre vueltas se reduciu a 1,0 vez e o método de proba no extremo da liña cambiou a un soporte de 1,5 veces a voltagem, non ocorreu ningún son de descarga e o nivel de descarga caiu drasticamente a menos de 1000 pC. Durante a desmontaxe e inspección, atopáronse trazas de descarga en forma de árbore ao longo dos aneis de aislamento do extremo, principalmente debido a material de aislamento subestándar.

Unha vez que ocorre descarga parcial na superficie do aislamento sólido, especialmente cando están presentes compoñentes normais e tanxenciais da intensidade do campo eléctrico, o accidente resultante é o máis grave. Os fallos de descarga parcial poden ocorrer en calquera lugar con material de aislamento deficiente ou campos eléctricos concentrados, como entre vueltas, nos conductores de electroescudos de bobinas de alta tensión, entre barreras de fase e nos conductores de alta tensión.

Os transformadores son dispositivos eléctricos ampliamente utilizados en circuitos electrónicos e sistemas de potencia. Como equipo clave na utilización, distribución e transmisión de potencia, os transformadores desempeñan un papel irremplazable. Polo tanto, debe prestar máis atención aos transformadores nas aplicacións prácticas.