Transformadores de Potencia: Riesgos de Cortocircuito Causas y Medidas de Mejora

Transformadores de potencia: riesgos de cortocircuito, causas y medidas de mejora

Los transformadores de potencia son componentes fundamentales en los sistemas de energía que proporcionan la transmisión de energía y son dispositivos inductores cruciales para garantizar una operación segura de la energía. Su estructura consta de bobinas primarias, bobinas secundarias y un núcleo de hierro, utilizando el principio de la inducción electromagnética para alterar el voltaje de corriente alterna. A través de mejoras tecnológicas a largo plazo, la confiabilidad y estabilidad del suministro de energía han mejorado continuamente. Sin embargo, aún existen diversos peligros ocultos prominentes. Algunas unidades de transformador sufren de una capacidad insuficiente de resistencia al impacto de cortocircuitos, lo que las hace propensas a fenómenos de cortocircuito. Para determinar eficazmente las causas y ubicaciones de las fallas, es necesario intensificar la investigación sobre las fallas de los transformadores y las tecnologías de diagnóstico para adoptar tecnologías correspondientes que resuelvan eficientemente los problemas de diagnóstico de fallas en transformadores.

1.Peligros de los cortocircuitos en transformadores de potencia

• Impacto de la corriente de impulso: Un cortocircuito súbito en un transformador genera una gran corriente de cortocircuito. Aunque su duración es breve, antes de que se desconecte el circuito principal del transformador, este peligro oculto puede haberse formado ya, potencialmente causando daños internos al transformador y reduciendo los niveles de aislamiento.

• Impacto de las fuerzas electromagnéticas: Durante un cortocircuito, la sobrecorriente genera fuerzas electromagnéticas significativas que afectan la estabilidad. En casos graves, las bobinas del transformador pueden verse afectadas hasta cierto punto, como la deformación de las bobinas, daño a la resistencia del aislamiento de las bobinas y daño a otros componentes. En casos extremos, esto puede llevar a accidentes de seguridad eléctrica como la combustión del transformador.

2.Causas de los cortocircuitos en transformadores de potencia

(1) Los programas de cálculo de corrientes se desarrollan basándose en modelos idealizados que asumen una distribución uniforme del campo magnético de fuga, diámetros de vueltas idénticos y fuerzas en fase. Sin embargo, en la realidad, el campo magnético de fuga en los transformadores no está distribuido de manera uniforme y se concentra relativamente en la sección del yugo, donde los cables electromagnéticos experimentan fuerzas mecánicas mayores. En los puntos de transposición de los cables transpuestos continuos (CTC), el cambio de pendiente modifica la dirección de la transmisión de fuerza, generando par. Debido al factor de módulo de elasticidad de los bloques separadores, una distribución axial desigual de los bloques separadores puede causar que las fuerzas alternantes producidas por campos magnéticos de fuga alternantes experimenten resonancia retardada. Esta es la razón fundamental por la cual los discos de bobinado en la sección del yugo del núcleo de hierro, los puntos de transposición y las posiciones correspondientes con cambiadores de toma de corriente se deforman primero.

(2) El uso de conductores transpuestos convencionales con poca resistencia mecánica los hace propensos a la deformación, separación de filamentos y exposición de cobre cuando están sujetos a fuerzas mecánicas de cortocircuito. Cuando se utilizan conductores transpuestos convencionales, corrientes grandes y ascensos de transposición empinados en estas posiciones generan par significativo. Además, los discos de bobinado en ambos extremos de las bobinas experimentan considerable par debido a los efectos combinados de los campos magnéticos de fuga radial y axial, lo que lleva a la deformación por torsión.

Por ejemplo, el bobinado común de la fase A del transformador de 500 kV Yanggao tenía 71 transposiciones, y debido al uso de conductores transpuestos convencionales relativamente gruesos, 66 de estas transposiciones mostraron diferentes grados de deformación. De manera similar, el transformador principal número 11 de WuJing también exhibió diferentes grados de volteo y exposición de los cables en los extremos de los bobinados de alta tensión en la sección del yugo del núcleo de hierro debido al uso de conductores transpuestos convencionales.

(3) Los cálculos de resistencia a cortocircuitos no consideran el impacto de la temperatura en la resistencia a la flexión y tracción de los cables electromagnéticos. La resistencia a cortocircuitos diseñada a temperatura ambiente no refleja las condiciones reales de operación. Según los resultados de las pruebas, la temperatura de los cables electromagnéticos afecta significativamente su límite de fluencia (σ0.2). A medida que aumenta la temperatura de los cables electromagnéticos, su resistencia a la flexión, resistencia a la tracción y elongación disminuyen. A 250°C, la resistencia a la flexión y a la tracción son considerablemente menores que a 50°C, mientras que la elongación disminuye más del 40%. En la operación real, los transformadores alcanzan una temperatura promedio de bobinado de 105°C a carga nominal, con temperaturas de puntos calientes que llegan a 118°C. La mayoría de los transformadores pasan por procesos de recierre automático durante la operación.

Por lo tanto, si el punto de cortocircuito no desaparece inmediatamente, el transformador experimentará un segundo impacto de cortocircuito en un tiempo muy corto (0.8 segundos). Sin embargo, después del primer impacto de la corriente de cortocircuito, la temperatura del bobinado aumenta bruscamente. Según las normas GB1094, la temperatura máxima permitida es de 250°C, a la cual la resistencia a cortocircuitos del bobinado ha disminuido significativamente. Esto explica por qué la mayoría de los accidentes de cortocircuito en transformadores ocurren después de las operaciones de recierre.

(4) Una construcción de bobinado floja, un procesamiento inadecuado de la transposición y un exceso de delgadez hacen que los cables electromagnéticos queden suspendidos. Desde la perspectiva de las ubicaciones de daño en los accidentes, la deformación se encuentra más comúnmente en los puntos de transposición, especialmente en las ubicaciones de transposición de los conductores transpuestos.

(5) El uso de conductores blandos es una de las principales razones de la pobre resistencia a cortocircuitos en los transformadores. Debido a una comprensión insuficiente temprana de este problema o a dificultades con el equipo y los procesos de bobinado, los fabricantes eran reacios a usar conductores semirrígidos o no tenían tales requisitos en sus diseños. Todos los transformadores que han fallado utilizaron conductores blandos.

(6) Las holguras de montaje excesivas resultan en un soporte insuficiente en los cables electromagnéticos, creando peligros ocultos para la resistencia a cortocircuitos del transformador.

(7) Fuerzas de preajuste desiguales aplicadas a varios bobinados o posiciones de toma causan que los discos de bobinado salten durante los impactos de cortocircuito, resultando en un estrés de flexión excesivo en los cables electromagnéticos y posterior deformación.

(8) La falta de tratamiento de curado entre vueltas o alambres del devanado provoca una baja resistencia al cortocircuito. Los devanados tempranos tratados con inmersión en barniz no sufrieron daños.

(9) El control inadecuado de la fuerza de pretensado del devanado provoca el desalineamiento de los conductores en conductores convencionales transpuestos.

(10) Incidentes frecuentes de cortocircuito externo provocan efectos acumulativos de fuerzas electromagnéticas tras múltiples impactos de corriente de cortocircuito, lo que lleva al ablandamiento de los alambres electromagnéticos o al desplazamiento relativo interno, resultando finalmente en la ruptura del aislamiento.

3. Medidas de mejora para aumentar la resistencia al cortocircuito de transformadores de potencia

(1) Realizar pruebas de cortocircuito para prevenir problemas antes de que ocurran

 La confiabilidad operativa de los transformadores grandes depende principalmente de su estructura y calidad del proceso de fabricación, seguido de diversas pruebas realizadas durante la operación para captar oportunamente el estado del equipo. Para comprender la estabilidad mecánica de un transformador, se puede realizar una prueba de cortocircuito para identificar puntos débiles y mejorarlos, asegurando así confianza en el diseño de resistencia estructural de los transformadores.

(2) Normalizar el diseño y enfatizar el proceso de compresión axial en la fabricación de bobinas

Al diseñar transformadores, los fabricantes deben considerar no solo la reducción de pérdidas y la mejora de los niveles de aislamiento, sino también el aumento de la resistencia mecánica y la resistencia a fallas por cortocircuito. En cuanto a los procesos de fabricación, dado que muchos transformadores utilizan placas prensoras aisladas con devanados de alta y baja tensión compartiendo una sola placa prensora, esta estructura requiere altos estándares de proceso de fabricación. Los bloques separadores deben someterse a un tratamiento de densificación, y tras el procesamiento de la bobina, cada bobina individual debe someterse a un secado bajo presión constante con medición de la altura comprimida de la bobina.

Tras el procesamiento anterior, las bobinas montadas sobre la misma placa prensora deben ajustarse a la misma altura. Durante el ensamblaje final, se debe aplicar a las bobinas la presión especificada mediante dispositivos hidráulicos para alcanzar la altura diseñada y requerida por el proceso. Durante el ensamblaje final, se debe prestar atención no solo a la compresión de las bobinas de alta tensión, sino especialmente al control de la compresión de las bobinas de baja tensión.